Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа №1
ВЫПРЯМИТЕЛЬ СО СГЛАЖИВАЮЩИМИ ФИЛЬТРАМИ
Цель работы – изучение принципа действия и экспериментальные исследования однофазного маломощного выпрямителя с простейшими сглаживающими фильтрами.
1.1 Основные положения
Для питания постоянным током различных электронных управляющих измерительных и вычислительных устройств, а также бытовых электронных устройств применяют маломощные выпрямители (мощностью десятки и сотни ватт), которые предназначены для преобразования переменного напряжения промышленной сети в постоянное.
Рисунок 1.1 - Структурная схема выпрямителя
Структурная схема маломощного выпрямителя представлена на рис.1.1 и содержит следующие узлы:
В - выпрямительный блок, преобразующий переменное напряжение в постоянное;
Ф - фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения;
Т - трансформатор, служащий для получения необходимого напряжения на выходе выпрямителя, а также для гальванической развязки источника питания и сети;
Ст - стабилизатор постоянного напряжения, который позволяет обеспечить высокую стабильность питающего напряжения в нагрузке при применении напряжения сети или изменении параметров нагрузки.
К выходу выпрямителя могут подключаться различные электронные устройства, которые для удобства анализа заменяют эквивалентным нагрузочным резистором Rн .
В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные узлы его могут отсутствовать. В частности, это относится к стабилизатору напряжения. Рассмотрим в первую очередь принцип действия выпрямительных схем, построенных на полупроводниковых диодах.
1.1.1 Полупроводниковый диод и его параметры
Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя областями проводимости и имеет два внешних вывода. Принцип работы диода основан на выпрямляющем свойстве р-п-перехода, т.е. способности пропускать электрический ток только в одном направлении [1,2].
Рассмотрим кратко процесс образования и свойства р-п-перехода используя структуру, приведенную на рис.1.2.а.
а) б) в)
Рисунок 1.2 - Структура (а), прямое (б) и обратное (в) включение р-п-перехода
Слева находится слой р-типа с дырочной проводимостью и отрицательными ионами акцепторной примеси, справа – слой п-типа с электронной проводимостью и положительными ионами донорной примеси (ионы обведены кружками). При контакте вследствие разности концентраций дырки начинают диффундировать из р- в п-область, а электроны из п- в
р-область. В области перехода электроны и дырки рекомбинируют, т.е. исчезают подвижные носители зарядов. Вследствие этого пограничный слой р-области обедняется дырками и там образуется отрицательный объемный заряд за счет ионов акцепторной примеси, а на границе п-области возникает по аналогичной причине положительный объемный заряд за счет ионов донорной примеси. Так как ионы закреплены в узлах кристаллической решетки и участия в проводимости не принимают, то вследствие ухода свободных носителей заряда из области перехода ее сопротивление возрастает. Между объемными зарядами на границе раздела возникает внутреннее электрическое поле Е0, которое препятствует переходу основных носителей из одной области в другую.
Если к р-n-переходу приложить внешнее напряжение, его свойства будут зависеть от полярности приложенного напряжения. При прямой
полярности напряжения («+» прикладывается к р-области, а «» - к
п-области) внешнее поле Е, обусловленное приложенным напряжением U, будет направлено навстречу внутреннему полю Е0 (рис.1.2,б). При этом внутреннее поле будет скомпенсировано и основные носители могут
свободно проходить через р-п-переход, создавая диффузионный прямой ток Iпр. Если к р-п-переходу приложить напряжение обратной полярности, то внешнее поле Е будет складываться с внутренним (рис.1.2,в). В результате область повышенного сопротивления расширяется. При этом через этот переход протекает незначительный обратный ток Iобр, обусловленный дрейфом неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, то можно считать, что р-п-переход обладает вентильными свойствами, т.е. пропускает ток только в одном направлении.
На рис.1.2 показано условное обозначение полупроводникового диода. Внешний вывод, соединенный с р-областью, называется анодом, а с
п-областью – катодом. На рис.1.3 приведена вольт-амперная характеристика диода при приложении прямого Uпр и обратного Uобр напряжения.
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
Iпрср – максимальное среднее значение прямого тока, который может протекать через диод при допустимом его нагреве;
Uпрср-среднее значение прямого падения напряжения на диоде при токе Iпрср;
Uобрmax- максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода;
Iобрmax- максимально допустимый обратный ток диода.
Для упрощения анализа и расчета параметров выпрямителей используют понятие идеального диода, для которого сопротивление в проводящем состоянии равно нулю (Uпр=0), а в закрытом состоянии равно бесконечности (Iобр=0).
1.1.2 Однофазные выпрямители с активной нагрузкой
Для построения маломощных выпрямителей, питаемых от однофазной сети переменного тока, используют две схемы двухполупериодного выпрямления: схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатор (с нулевым выводом) и мостовая схема. Рассмотрим работу этих схем с активной нагрузкой Rн.
На рис.1.4. представлена схема выпрямителя с выводом средней точки трансформатора и временные диаграммы, поясняющие ее работу.
Диоды VD1 и VD2 пропускают ток в нагрузку поочередно. В течение положительного полупериода сетевого напряжения на вторичных обмотках трансформатора (полярность указана без скобок) открыт диод VD1 и ток ia1 проходит через VD1, нагрузку и полуообмотку трансформатора с напряжением . В следующий полупериод сетевого напряжения (полярность указана в скобках) открывается диод VD2 и закрывается диод VD1. При этом ток нагрузки iн протекает по контуру через диод VD2, нагрузку Rн и полуобмотку трансформатора с напряжением . Таким образом, ток в цепи нагрузки течет в одном направлении в течение всего периода. Выпрямленное напряжение Uн представляет собой положительные полуволны напряжений и . При этом ток i1 первичной обмотки трансформатора будет синусоидален.
Рисунок 1.4 - Схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б) выпрямителя
с выводом средней точки трансформатора
Данная схема выпрямителя имеет только два диода, к которым однако, предъявляются повышенные требования. Так, к закрытому диоду через другой открытый диод прикладывается обратное напряжение равное сумме , максимальное значение которого равно амплитуде обратного напряжения и в 2 раза превышает амплитуду выпрямленного напряжения.
Наиболее широкое применение находит однофазная мостовая схема выпрямителя (рис.1.5).
Диоды образуют мост, в одну диагональ которого включена вторичная обмотка трансформатора, а в другую – нагрузочный резистор Rн. Каждая пара диодов работает поочередно. При положительной полуволне напряжения U2 (полярность указана без скобок) открыты диоды VD1 и VD4. При этом ток в нагрузке протекает по контуру через вторичную обмотку трансформатора, диод VD1, резистор нагрузки Rн и диод VD4. В следующий полупериод (полярность U2 в скобках) ток проходит через диод VD2, нагрузку и диод VD3. Следовательно, в цепи нагрузки ток iн протекает в одном направлении в течение всего периода. Основные временные диаграммы в данной схеме такие же, как и в предыдущей. Различие заключается в том, что в ней к закрытому диоду прикладывается обратное напряжение, амплитуда которого равна амплитуде выпрямленного напряжения. Это является достоинством мостовой схемы. Сравнивая две схемы выпрямителя, можно сделать следующие выводы [1,2]:
- при одинаковых значения тока Iн и напряжения Uн нагрузки типовая мощность, а следовательно, и габариты трансформатора для схемы с выводом средней точки больше, чем для мостовой схемы. Это обусловлено двумя вторичными обмотками, которые пропускают ток по полпериода каждая;
- обратное напряжение на диоде в мостовой схеме при одном и том же выпрямленном напряжении в два раза меньше, чем в схеме с выводом средней точки трансформатора;
- мостовая схема требует в два раза больше диодов.
1.1.3 Сглаживающие фильтры
Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока и содержат реактивные элементы
(L или С), способные накапливать энергию, а затем ее отдавать в нагрузку.
На рис.1.6 приведены простейшие сглаживающие фильтры, подключаемые между выпрямителем и нагрузкой.
а) б) в)
Рисунок 1.6 - Схемы сглаживающих фильтров
В индуктивном фильтре используется дроссель Lф , который включается последовательно с нагрузкой Rн (рис.1.6,а). Сущность работы данного фильтра сводится к тому, что при увеличении напряжения вторичной обмотки трансформатора выпрямителя происходит накопление энергии в индуктивности Lф , а при его уменьшении за счет возникшей э.д.с. самоиндукции ток в нагрузке будет мало меняться. Индуктивность Lф выбирается из условия (1)Lф Rн, где (1)- угловая частота первой гармоники пульсации. При выполнении указанного условия практически вся переменная составляющая выпрямленного напряжения будет падать на дросселе, а постоянная составляющая полностью передаваться в нагрузку.
В емкостном фильтре (рис.1.6,б) необходимо выполнить условие 1/(1)Сф Rн. В этом случае переменная составляющая напряжения будет замыкаться через конденсатор Сф, а постоянная составляющая поступает в нагрузку.
Из приведенных неравенств следует, что индуктивный фильтр более эффективен при больших токах нагрузки (малых Rн), а емкостной – при малых токах (больших Rн).
В RC-фильтре (рис.1.6,в) конденсатор Сф шунтирует нагрузку по переменной составляющей напряжения, которая дополнительно ограничивается сопротивлением резистора Rф. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении значительно уменьшается. Недостатком RC-фильтра является потеря мощности на резисторе Rф, что снижает к.п.д. фильтра. Поэтому RC-фильтры целесообразно использовать в выпрямителях при малых токах нагрузки.
Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций g1 и g2 на входе и выходе фильтра
|
, |
(1.1) |
где Ud - напряжение на входе фильтра;
Uн - напряжение на нагрузке;
Um1, U/m1 - амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра.
1.1.4 Работа выпрямителя с емкостным фильтром
В маломощных выпрямителях часто используют простейший емкостной фильтр, который представляет собой конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. Такой фильтр для выпрямителя представляет емкостную нагрузку, которая заметно изменяет характер процессов в схеме. Рассмотрим работу однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора при наличии емкостного фильтра. Схема данного выпрямителя и временные диаграммы приведены на рис.1.7.
а) б)
Рисунок 1.7 - Схема однофазного выпрямителя с выводом средней точки
трансформатора (а) и временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя (б)
Работа выпрямителя удобно рассмотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис.1.7,б. В интервале времени t1-t2 конденсатор Cф через открытый диод VD1 заряжается, так как в это время . При этом ток диода VD1 равен ia1 = ic + iн. Во время прохождения этого тока имеет место падение напряжения на диоде и активном сопротивлении обмоток трансформатора, т.е. .
С момента времени t2 напряжение U2 становится ниже напряжения на конденсаторе и Uc диод VD1 закрывается. В интервале t2-t3 конденсатор разряжается на резистор нагрузки с постоянной времени = RнСф, поддерживая тем самым ток нагрузки. В момент t3 в следующем полупериоде создаются условия для включения диода VD2 (U2 Uc) и конденсатор начинает заряжаться и т.д.
Напряжение на нагрузке определяется кривыми заряда и разряда конденсатора. Форма кривой тока нагрузки iн аналогична кривой напряжения Uн. Форма кривой тока диодов отличается от формы кривой при работе на чисто активную нагрузку: время протекания тока уменьшается, а максимальное значение тока возрастает.
1.1.5 Внешние характеристики выпрямителей
Внешней (нагрузочной) характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки U.
На выходе выпрямителя без фильтра среднее значение напряжения на холостом ходу ( Iн = 0) равно
|
, |
(1.2) |
где - действующее значение напряжения на вторичных обмотках трансформатора.
При наличии тока нагрузки Iн на внутренних сопротивлениях диодов rg и активном сопротивлении обмоток трансформатора rтр возникают падения напряжения, которые приводят к уменьшению напряжения Uн . При этом внешняя характеристика выпрямителя без фильтра определяется по формуле
|
, |
(1.3) |
где Uно- напряжение на нагрузке при Iн=0.
На рис.1.8 приведены внешние характеристики выпрямителя
.
Кривая 1 изображает внешнюю характеристику без фильтра. По ее наклону можно определить внутреннее сопротивление выпрямителя
.
Кривая 2 соответствует выпрямителю с С-фильтром. При Iн=0 напряжение , так как в отсутствии тока Iн конденсатор Сф заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки.
С ростом тока Iн кривая 2 спадает быстрее, чем кривая 1, что объясняется уменьшением постоянной времени .
Внешняя характеристика RС-фильтра (кривая 3) имеет еще более крутой наклон, чем кривая 2. Это вызвано дополнительным падением напряжения на последовательно включенном резисторе Rф (рис.1.6,в).
1.2 Описание схемы эксперимента
В работе исследуется однофазная двухполупериодная схема выпрямителя с выводом средней точки трансформатора с фильтрами, приведенная на рис.1.9.
Такое же изображение схема выпрямителя имеет и на накладной панели стенда с указанием контрольных точек (гнезда Х1-Х5).
Ток нагрузки регулируется реостатом Rн с помощью ручки «Rн».
С помощью коммутации ключей S1 и S2 можно исследовать работу выпрямителя с активной нагрузкой, С-фильтром и RC-фильтром.
Рисунок 1.9. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом
средней точки трансформатора с фильтрами.
Шунты из резисторов rш=1 Ом позволяют проводить измерения токов в цепях выпрямителя. Так, при подключении осциллографа к гнезду Х3 можно наблюдать на одной оси времени поочередное протекание токов диодов VD1 и VD2. При подключении цифрового вольтметра к гнезду Х5 можно определить ток нагрузки по падению напряжения на шунте rш.
На гнезде Х1 можно наблюдать переменное напряжение во вторичной обмотке трансформатора, на гнезде Х2 - напряжение на выходе выпрямителя, на гнезде Х4 – напряжение на нагрузке.
1.3 Порядок выполнения работы
Перед началом экспериментов подготовьте стенд к работе в соответствии с указаниями данной инструкции. Обратите внимание на использование коммутатора стенда при снятии нескольких осциллограмм одновременно.
1.3.1 Исследование внешних характеристик выпрямителя
Снятие внешних характеристик выпрямителя производится с помощью цифрового вольтметра, который фиксирует напряжение uн на гнезде Х4 и ток Iн по падению напряжения на гнезде Х5 (шунт
rш= 1 Ом).
1.3.1.1 Снять внешнюю характеристику выпрямителя при активной нагрузке (ключ S1 замкнут, ключ S2 разомкнут), Ток нагрузки устанавливать ручкой «Rн» равномерно в пределах от минимального до максимального значения. Данные измерений занести в табл. 1.1.
Iн, mA |
||||||
Uн, В |
1.3.1.2 Снять внешнюю характеристику выпрямителя с С-фильтром (ключи S1 и S2 замкнуты). Измерения произвести аналогично п.1.3.1.1.
1.3.1.3 Снять внешнюю характеристику выпрямителя с RC-фильтром (ключ S1 разомкнут, ключ S2 замкнут). Измерения произвести аналогично п.1.3.1.1.
1.3.2 Исследование влияния сглаживающих фильтров
на форму токов и напряжений в выпрямителе
Задачей экспериментального исследования является получение качественной картины влияния фильтров на процессы в выпрямителе и эффективности сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.
1.3.2.1 Подключить вход осциллографа к выходу выпрямителя (перемычка между гнездами Y1 и Х4) и, изменяя ток нагрузки ручкой «Rн», наблюдать изменение формы выпрямленного напряжения для С-фильтра и RС-фильтра.
1.3.2.2 Установить максимальный ток нагрузки и, используя два канала осциллографа С1-93, снять осциллограммы в контрольных точках
Х1-Х5 при активной нагрузке и при наличии фильтров. Соблюдая один масштаб времени, построить одну под другой осциллограммы напряжений и токов для выпрямителя без фильтра и с фильтрами. Во всех случаях исходной является осциллограмма входного напряжения на обмотке трансформатора (гнездо Х1).
1.4 Обработка результатов эксперимента
и оформление отчета
1.4.1 В соответствии с п.1.3.1 построить внешние характеристики выпрямителя без фильтра и с фильтрами.. Характеристики строятся на одном графике в одном масштабе.
1.4.2 Используя внешнюю характеристику выпрямителя при активной нагрузке, определить внутреннее сопротивление выпрямителя .
1.4.3 На основании п.1.3.2 привести диаграммы напряжения Uн при С-фильтре для минимального и максимального тока нагрузки и пояснить причины изменения его формы.
1.4.4 На основании п.1.3.2.2 проанализировать по осциллограммам форму токов диодов выпрямителя без фильтра и с фильтрами.
Отчет о выполненной работе должен содержать: цель работы, принципиальную схему эксперимента, таблицы и графики, полученные в результате эксперимента, а также осциллограммы в соответствии с заданием по выполнению работы и их краткий анализ.
Вопросы для самопроверки