ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНА РОБОТА № 6 «Дослідження випрямляючих пристроїв» 1. Мета роботи: Ознайомлення з методикою побудови схем і моделювання роботи пристроїв в комп'ютерній лабораторії електротехніки і електроніки. Вивчення принципів роботи різних типів випрямлячів. Вивчення впливу різних типів згладжуючих фільтрів на форму випрямленої напруги і на вихідні характеристики випрямляючих пристроїв. 2. Короткі теоретичні відомості. 2.1. Однофазні випрямлячі. 2.1.1. Однонапівперіодний випрямляч. Схема і часові діаграми напруг і струмів приведені на малюнках 1 і 2
Рис.1 Схема містить трансформатор ТР, в ланцюзі вторинної обмотки якого включені послідовно діод Д і опір навантаження Rн. При прийнятих допущеннях (ідеальний трансформатор) слидує, що якщо напруга u1 на первинній обмотці трансформатора міняється по синусоїдальному закону, то напруга на вторинній обмотці u2 також синусоїдальна. Струм через діод iа, отже, і через резистор навантаження iн з'являється в ті напівперіоди, коли потенціал точки а вище за потенціал точки б вторинної обмотки трансформатора, оскільки в ці напівперіоди діод Д відкритий. Коли потенціал точки а негативний по відношенню до потенціалу точки б, діод закритий, струм в ланцюзі рівний нулю. Таким чином, струм в резисторі Rн з'являється тільки в одному з напівперіодів напруги u2, а схема називається однонапівперіодною. При прийнятих допущеннях (ідеальний діод) в позитивний напівперіод напруги u2 величина напруги на резисторі навантаження рівна величині u2, а на діоді нулю, а в негативний напівперіод uн=0, а величина uа = u2. У цій схемі Uн.ср=0,45U2 і тоді . Рис.2 Недоліки цієї схеми: - мале середнє значення струму навантаження Iн.ср; - велика зворотна напруга Uобр.макс = U2m; - високий рівень пульсацій(коефіцієнт пульсації). Ці недоліки усуваються в двополуперіодних схемах випрямлячів, в яких використовуються обидва періоди напруги в мережі. 2.1.2 Випрямляч з середньою точкою трансформатора. Випрямляч з виводом середній точки вторинної обмотки трансформатора є двухнапівперіодним випрямлячем, схема і часові діаграми якого приведені на малюнках 3 і 4.
Рис.3 Випрямляч складається з трансформатора з вторинною обмоткою має середню крапку, двох діодів Д1 і Д2 і резистора навантаження Rн, включеного між середньою точкою трансформатора і катодами двох діодів. Схему можна розглядати як поєднання двох однонапівперіодних випрямлячів включених на загальне навантаження. Рис.4 Вважаємо, що напруга на кожній половині вторинної обмотки трансформатора рівні між собою u2а = u2б = u2. Протягом позитивної половини періоду напруга u2а точки а схеми має вищий потенціал (++), ніж середня точка (+) і ще вищий потенціал, ніж точка б. При цьому діод Д1 відкритий, струм в резисторі навантаження iн = iа1, до діода Д2 прикладена напруга рівна uаб. У перебігу другої половини періоду напруги точка а має найнижчий потенціал (--), середня точка вищий, а точка б найвищий потенціал (+), діод Д2 відкритий, струм в резисторі навантаження iн = iа2 і має такий самий напрям, що і в першому напівперіоді. У такій схемі величина Uн.ср = 0,9U2. і струм навантаженню визначається по формулі , значить Iн.ср і Uн.ср в два рази вище, ніж в однонапівперіодному випрямлячі. Пульсації значно менше (коефіцієнт пульсації р ( 0,67), проте зворотна напруга на закритих діодах удвічі більше Uобр.макс = 2U2m 2.1.3 Мостова схема випрямляча. Найпоширенішою схемою є мостова схема двухполуперіодного випрямляча (Рис.5) відповідні часові діаграми якої приведені на малюнку 6.
Рис.5 У цій схемі діоди Д1-Д4 включені по мостовій схемі, до однієї діагоналі якої підведена змінна напруга u2, а до іншої підключений резистор навантаження Rн. Протягом першої половини періоду напруги u2, коли потенціал точки а позитивний, а точки б негативний, діоди Д1, Д3 відкриті, а Д2, Д4 - замкнуті, струм iн тече через діод Д1, резистор навантаження Rн і діод Д3. До діодів Д2, Д4 прикладено напругу вторинної обмотки трансформатора u2. У інший напівперіод напруги u2 потенціал точки а нижче за потенціал точки б і діоди Д2, Д4 відкриті, а Д1, Д3 закриті, при цьому струм iн тече через діод Д2, резистор навантаження Rн і діод Д4 в тому ж напрямі, що і в перший напівперіод напруги. Рис.6 При цьому середній струм Iн.ср і середня напруга Uн.ср на навантаженні в два рази перевищують струм і напругу однонапівперіодного випрямляча, а пульсації такі ж як у випрямлячі з середньою точко. Зворотна напруга на діодах в закритому стані рівна відповідно Uобр.макс = U2m. Величина Uн.ср = 0,9U2 і струм навантаженню визначається по формулі . 2.1.4 Згладжуючі фільтри. Випрямлена напруга має пульсуючий характер і його не можна безпосередньо використовувати для живлення електронних пристроїв. Тому для зменшення ступеня пульсації на виході випрямляча застосовують згладжуючі фільтри. Фільтри складаються з конденсаторів і котушок індуктивності. Основні види фільтрів: ємностний, індуктивний і змішаний. Фільтр ємностний (Рис.7а) включається паралельно резистору навантаження і шунтує його для складової струму. При цьому конденсатор Cф поперемінно заряджає під дією випрямленої напруги uВ, а потім розряджається через резистор Rн. Якщо постійна часу розряду конденсатора ??= CфRн значно перевищує період напруги u2, та напруга при розряді зменшується неістотно (Рис.7б), що приводить до значного збільшення середнього значення напруги на резисторі навантаження Uн.ср і до зниження ступеня пульсації випрямленої напруги. Фільтр ємностний використовується для слабких струмів і невеликої потужності, тобто при високоомному навантаженні.
а) б) Рис.7 При цьому основною характеристикою фільтру є коефіцієнт згладжування , де: Рвх - коефіцієнт пульсації на вході фільтру; Рвих - коефіцієнт пульсації на виході фільтру. Для випрямлячів великої і середньої потужності застосовуються індуктивні фільтри які включаються послідовно з резисторами навантажень (Рис.8а). В результаті змінна складова струму через навантаження значно зменшується і знижує ступінь пульсації випрямленої напруги (Рис.8б).
а) б) Рис.8 Частіше використовуються змішані фільтри: Г-образний LС-фільтр (Рис.9) або П-образний CLC-фільтр (Рис.10).
Рис.9 Рис.10 Вони забезпечують вищий ступінь згладжування випрямленої напруги. 2.1.5 Зовнішні характеристики випрямлячів. Залежність напруги від величини струму навантаження Uн = f(Iн) називають зовнішньою характеристикою випрямляча. Вона визначається формулою
де: Uн.хх - напруга на навантаженні на холостому ходу (Iн=0); Rтр - активний опір трансформатора; Rд - опір діода в прямому напрямі. На малюнку 11 представлені зовнішні характеристики деяких типів випрямлячів з фільтрами і без них: 1 - однонапівперіодний випрямляч без фільтру; 2 - двухнапівперіодний випрямляч без фільтру; 3 - однонапівперіодний випрямляч з С-фільтром; 4 - двухнапівперіодний випрямляч з RС-фільтром;
Рис.11 3. Порядок виконання роботи. 3.1. Досвід №1. Однополуперіодний випрямляч. Схема однонапівперіодного випрямляча (Рис.12).
Рис.12 3.1.2. Використовуючи як навантаження опір R, зніміть три зовнішні характеристики випрямляча Ud = f(Id) (дивіться методику зняття зовнішніх характеристик): - для випрямляча без фільтру; - для випрямляча з C-фільтром (фрагмент схеми представлений на Рис.14а); - для випрямляча з CLC-фільтром (фрагмент схеми представлений на Рис.14б). Рис.13а Рис.13б 3.1.3. Для R=100 Ом замалюйте три осцилограми вихідної напруги з урахуванням масштабу (дивіться методику роботи з осцилографом). 3.2. Досвід №2. Двухполуперіодний випрямляч. 3.2.1. Схема двухнапівперіодного випрямляча з середньою точкою трансформатора (Рис.14). Рис.14 3.2.2. Випрямляч без фільтру. Для R=100 Ом замалюйте осцилограму вихідної напруги з урахуванням масштабу (дивіться методику роботи з осцилографом). 3.3. Досвід №3. Двухполуперіодний мостовий випрямляч. 3.3.1. Схема двухполуперіодного мостового випрямляча (Рис.15).
Рис.15 3.3.2. Використовуючи як навантаження опір R, зніміть три зовнішні характеристики випрямляча Ud = f(Id) (дивіться методику зняття зовнішніх характеристик): - для випрямляча без фільтру; - для випрямляча з C-фильтром (фрагмент схеми представлений на Рис.13а); - для випрямляча з CLC-фільтром (фрагмент схеми представлений на Рис.13б). 3.3.3. Для R=100 Ом замалюйте три осцилограми вихідної напруги з урахуванням масштабу (дивіться методику роботи з осцилографом). Побудуйте зовнішні характеристики випрямляючих пристроїв в єдиній системі координат і зробіть висновки по роботі. 4. Методики проведення дослідів. 4.1. Методика зняття зовнішніх характеристик. При знятті зовнішніх характеристик випрямляючих пристроїв необхідно змінювати опір резистора Rн в ланцюзі навантаження. Для цього відкриваємо діалогове вікно резистора за допомогою правої кнопки миші. У наступних вікнах натискаємо кнопки Component Properties і Value, і встановлюємо необхідний опір. , одержуємо покази приладів і записуємо у відповідну таблицю. Таблиця R (Ом)
(
100
80
60
40
20
Id (A)
Ud (B)
4.2. Методика роботи з осцилографом. Для отримання форми кривих напруги в будь-якій точці схеми в програмі EWB використовується осцилограф. Відкриваємо діалогове вікно осцилографа подвійним натисненням лівої кнопки миші. При цьому з'являється зменшене зображення панелі осцилографа. Осцилограф має чотири клеми: Ground (Земля), Trigger (Синхронізація), Channel А (Канал А), Channel B (Канал B). Розгортка за часом (Time base) задається відповідними клавішами. У даному конкретному випадку маємо 5,00ms/div, тобто 5,00миллисекунд на 1поділку. Вертикальна розгортка задається окремо по кожному каналу. У даному конкретному випадку маємо 20V/div, тобто 20 вольт на 1поділку. На екрані осцилографа зображені дві криві вхідна і вихідна напруги однонапівперіодного випрямляча. Для того, щоб зробити вимірювання за допомогою осцилографа необхідно натиснути кнопку Expand і тоді з'явиться збільшене зображення панелі осцилографа, яке має додаткові елементи для вимірювання.
На екрані осцилографа з'являються дві вертикальні риси, які можна пересувати за допомогою лівої кнопки миші, тим самим, встановлюючи місце вимірювання. У додаткових вікнах з'являються координати відмічених позицій. У даному конкретному випадку маємо: T1=12.4765s, VA1=27.2384v, VB1=25.4764v і T2=12.5116s, VA2=14.4222v, VB2=13.1085v. Третє вікно дає різницю показів T2-T1=35.1250ms, VA2-VA1=-12.8163v, VB2-VB1=-12.3679v. Канал А, Y position = -1.00. Канал В, Y position = 1.00.
