Описание лабораторной установки

Лабораторная работа №7

 

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУПРАВЛЯЕМОГО

ОДНОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

Цель работы: изучить устройство и принцип действия однофазного выпрямителя; исследовать работу выпрямителя без фильтра и с емкостным фильтром в режимах холостого хода и под нагрузкой.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Выпрямитель представляет собой устройство, предназначенное для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное. Выпрямительное устройство состоит из трансформатора, вентильной группы, в которой вентили соединены между собой по определенной схеме, и сглаживающего фильтра. К выходу устройства подключена нагрузка.

Трансформатор предназначен для преобразования напряжения по величине.

Вентильная группа осуществляет выпрямление переменного тока.

Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке до необходимой величины.

Выпрямители находят широкое применение в качестве источников питания устройств электроники, автоматики и радиотехники. Постоянный ток широко применяется для питания двигателей постоянного тока на транспорте и промышленных предприятиях. Передача энергии на большие расстояния в ряде случаев производится постоянным током высокого напряжения.

В выпускаемых промышленностью неуправляемых выпрямителях применяются в основном полупроводниковые диоды, обладающие односторонней проводимостью. Вольт-амперная характеристика такого диода приведена на рис. 7.1.

При подаче на диод положительной полуволны напряжения через него протекает прямой ток I_пр, при этом прямое напряжение U_пр для большинства диодов не превышает 1 вольта. При подаче на диод отрицательной полуволны напряжения ток, протекающий через него, незначителен и составляет (10^-3 – 10^-4)I_{пр. макс}. При обратном напряжении, равном или превышающем U_обр.п., происходит пробой полупроводниковой структуры, и диод становится непригодным для дальнейшей эксплуатации.

Рис. 7.1

 

Выбор диодов для выпрямителя выполняется по их предельно допустимым параметрам на основании максимальных значений напряжения и тока нагрузки, допустимых в условиях эксплуатации: U_{обр.макс} – максимально допустимое обратное напряжение; I_{пр.макс} – максимально допустимый средний прямой ток; P_{ср.д.макс} – максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода.

Рассмотрим работу однофазного однополупериодного выпрямителя, схема которого показана на рис. 7.2. При этом примем допущения, что трансформатор и диод идеальны. Нагрузка на выходе выпрямителя носит активный характер. При синусоидальном напряжении u₁ питающей сети напряжение u₂ на вторичной обмотке трансформатора тоже синусоидально (рис. 7.3): u₂(t)= U_2msin ωt.

Рис. 7.3

 

В положительный полупериод напряжения u₂ через диод проходит ток нагрузки i_н=i₀, напряжение на диоде u_пр согласно принятым допущениям равно нулю. При этом напряжение на нагрузке u_н=u₀ соответствует напряжению u₂ (рис. 7.3). В отри-цательный полупериод напряжения u₂ через диод, а следовательно и через нагрузку ток не проходит. При этом все напряжение u₂ приложено к диоду VD в обратном направлении и равно u_обр, напряжение на нагрузке u_н равно нулю.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (постоянная составляющая) определяется как:

где U_2m= U₂–амплитуда выходного напряжения трансформатора;

U₂ –действующее значение этого напряжения;

К_c - коэффициент схемы выпрямления выпрямителя, для однополупериодного выпрямителя

К_c=

При расчете выпрямителя по средним значениям выпрямленного напряжения U₀ необходимо определять величину действующего значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂:

.

Временная диаграмма напряжения на диоде u_д(t) показана на рис. 7.3. Максимальное значение обратного напряжения диода равно амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора и связано с напряжением нагрузки соотношением:

Среднее значение тока диода определяется, как

I_д = I_н=U_н/R_н.

Важным показателем схемы выпрямления является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п, представляющий собой отношение амплитуды пульсаций первой гармоники U_m(1) к среднему значению выпрямленного напряжения на нагрузке U₀: .

При однополупериодном выпрямлении К_п = 1,57.

Недостатками однополупериодной схемы выпрямления являются: плохое использование мощности трансформатора, большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.

Схема однофазного мостового выпрямителя показана на рис. 7.4.

В этой схеме при подаче положительной полуволны напряжения u₂ ток проходит по цепи, содержащей диод VD1, сопротивление нагрузки R_н, диод VD3.

Мгновенное значение этого тока равно

i_д1 = i₀ = i_д3 =u₂/R_н.

Диоды VD2 и VD4 в этот полупериод закрыты, так как к ним приложено обратное напряжение.

Рис. 7.4

В отрицательный полупериод напряжения u₂ ток будет проходить по цепи, содержащей диод VD2, сопротивление нагрузки R_н, диод VD4, при этом направление тока в нагрузке будет таким же, как и в предыдущем полупериоде.

Временные диаграммы токов и напряжений элементов схемы выпрямителя приведены на рис. 7.5.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке будет определяться:

Коэффициент схемы выпрямителя:

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

Среднее значение тока через диод I_д = I_н/2.

Максимальное значение обратного напряжения на диоде:

U_{обр.макс} =

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения:

К_П =U_m(2)/U₀ = 0,67.

Преимуществом мостовой схемы выпрямления является уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, лучшее использование трансформатора из-за отсутствия подмагничивания сердечника выпрямленным током.

Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителей. Для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителя устанавливают сглаживающие фильтры. На рис. 7.6 представлена схема емкостного фильтра. В таком фильтре конденсатор С_ф подключается параллельно нагрузочному резистору. При этом переменная составляющая выпрямленного тока проходит через конденсатор, сопротивление которого значительно меньше сопротивления нагрузки 1/ωС<< R_н.

Рис. 7.7

 

В интервале времени t₁ – t₂ (рис. 7.7) конденсатор, который до этого был заряжен, разряжается через сопротивление нагрузки R_н с постоянной времени τ = R_нС_ф, поэтому напряжение на нагрузочном резисторе изменяется по кривой u_0н. В интервале времени t₂ – t₃ выпрямленное напряжение становится больше u_он и конденсатор заряжается. При этом за счет тока i_с увеличивается напряжение Δu₀ на активных сопротивлениях выпрямительного устройства (мгновенные значения заштрихованного участка на рис. 7.7), что приводит к сглаживанию напряжения в этом интервале.

описание лабораторной установки

 

Объектом исследования является однофазный мостовой выпрямитель, схема которого собрана на диодах типа Д242. Максимально допустимые параметры диодов этого типа: обратное напряжение – 100В; среднее значение прямого тока – 5А.

В качестве источника питания используется трансформатор, выходное напряжение которого U₂ =18В. Нагрузка выпрямителя носит активный характер, максимальное сопротивление нагрузочного резистора 150 Ом, минимальное 13,5 Ом.

Схема лабораторной установки для исследования выпрямителя показана на рис. 7.8. Эта схема собрана на специальной плате и устанавливается на панели лабораторного стенда. Панели лабораторного стенда, используемые в работе, изображены на рис. 7.9.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: