Исследование неуправляемых выпрямителей
1. Цель работы - изучение принципа действия, основных характеристик и параметров однополупериодной, двухполупериодной мостовой и трехфазной мостовой схем выпрямителей, а также изучение различных видов сглаживающих фильтров.
2. Вопросы для подготовки к работе
2.1 Какие схемы выпрямителей исследуются в работе?
2.2 Какие фильтры исследуются в работе?
2.3 Каково назначение выпрямителей и фильтров?
2.4 Что такое коэффициент пульсации и коэффициент сглаживания?
2.5 Как снять осциллограммы напряжений в различных точках выпрямителя?
2.6 Что такое постоянная составляющая и первая гармоника выпрямленного напряжения; как их определить с помощью осциллографа?
2.7 Какие параметры диодов ограничивают величину мощности, которую необходимо получить на нагрузке?
2.8 В каком из выпрямителей максимальное обратное напряжение на вентиле наибольшее?
2.9 Как изменится величина пульсации напряжения на нагрузочном резисторе, если увеличить емкость фильтра?
3. Описание лабораторной установки
Схема лабораторного стенда показана на рис. 5.1, в которой ключи SA1 и SA2 используются для получения различных схем выпрямления: а) SA1 и SA2 – разомкнуты – однофазная однополупериодная; б) SA1 – разомкнут, SA2 – замкнут – однофазная мостовая; в) SA1 и SA2 – замкнуты – трехфазная мостовая. С помощью ключа SA3 в схему включаются разные типы фильтров: C, RC, LC (рис. 2а … 2в).
В качестве нагрузки используется переменный резистор Rн. Для контроля работы схем используются измерительные приборы. На выпрямители подается линейное напряжение 36 В промышленной частоты.
4. Задание
4.1 Зарисовать схемы опытной установки и фильтров (рис. 5.1 и 5.2).
4.2 Рассчитать напряжение на нагрузке U н.ср. для схем однополупериодного, однофазного мостового и трехфазного мостового выпрямителей (без фильтра). Значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора выпрямителя взять равным U2=36 В. Данные занести в таблицу 5.1.
4.3 Рассчитать значение среднего выпрямленного тока I н.ср. и максимальное обратное напряжение на диоде Uобр. макс. для этих же схем и сравнить расчетные значения с паспортными данными диодов, используемых в работе. Данные занести в таблицу 5.1.
4.4 Произвести расчет коэффициентов пульсаций и сглаживания для RC и LC фильтров. Значения U2, Cф, Rф, Lф и Rн указаны в таблице 5.2.
Таблица 5.2 – Исходные данные для расчета
| № бригады | Тип диода | U2 В | Cф мкФ | Rф Ом | Lф Гн | Rн Ом |
| Д7А | 0,5 | |||||
| Д7Б | 0,6 | |||||
| Д7В | 0,7 | |||||
| Д7Г | 0,8 | |||||
| Д7Д | 0,9 | |||||
| Д7Е | 1,0 |
4.5 Исследование однополупериодного выпрямителя: рис. 5.1 (SA1 и SA2 разомкнуты).
5.5.1 Зарисовать осциллограммы напряжений для рассчитанного значения тока
Iн.ср., измерить значение Uн.ср. и сравнить с расчетными значениями, снять внешнюю характеристику Uн=f(Iн) выпрямителя.
| Iн (мА) | 0 100 |
| Uн (В) |
4.5.2 Подключить к выпрямителю C- фильтр и зарисовать осциллограммы напряжения на нагрузочном резисторе Rн, при расчетном значении Iн.ср. измерить Uн.ср., снять внешнюю характеристику.
4.5.3 Подключить к выпрямителю RC- фильтр и произвести измерения, перечисленные в пункте 4.5.2.
4.5.4 Подключить к выпрямителю LC- фильтр и провести измерения, перечисленные в п.4.5.2.
4.5.5 По результатам измерений рассчитать коэффициенты пульсаций и сглаживания для C -, RC - и LC -фильтров, сравнить их с расчетными. Данные расчетов и измерений занести в табл. 5.1.
4.6 Исследование однофазной мостовой схемы выпрямителя.
4.6.1 Собрать схему однофазного мостового выпрямителя (рис. 5.1, SA1 – разомкнут, SA2 – замкнут) и выполнить задание по пункту 4.5.1.
4.6.2 Подключить к выпрямителю последовательно C- , RC- и LC - фильтр и выполнить задания по пункту 4.5.2…4.5.5.
4.7 Исследование трехфазной мостовой схемы выпрямителя.
4.7.1 Собрать схему трехфазного мостового выпрямителя (рис. 5.1, SA1 и SA2 замкнуты) и выполнить задания по пункту 4.5.1.
4.7.2.Подключить к выпрямителю C-фильтр и выполнить задания по пункту 4.5.2 и пункту 4.5.5.
5. Методические указания по выполнению лабораторной работы
5.1.Постоянное и переменное напряжения измеряются универсальным вольтметром или осциллографом с использованием калибратора амплитуды.
5.2. Все осциллограммы напряжений на нагрузке для данной схемы снимать при одинаковом масштабе вертикальной оси осциллографа.
5.3. При определении коэффициента пульсаций амплитуду первой гармоники выпрямленного напряжения Uм1 измерять при закрытом входе осциллографа, а амплитуду выпрямленного напряжения Uн.ср. – при открытом входе.
6. Краткие сведения из теории
Для питания электронных устройств используется постоянное напряжение различной величины. Однако наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное применяют выпрямительные устройства. В схему блока питания (рис. 5.3) обычно входит трансформатор Тр, преобразующий напряжение сети до величины, определяемой требованиями нагрузочного устройства с эквивалентным сопротивлением Rн. К выходной обмотке трансформатора подключается вентиль B (или несколько соединенных по определенной схеме вентилей) – прибор с односторонней проводимостью, обеспечивающий в нагрузке ток одного направления.
Сглаживающий фильтр Ф уменьшает пульсации выпрямленного напряжения до необходимой амплитуды. Стабилизатор напряжения Ст поддерживает неизменным среднее значение выпрямленного напряжения при изменении тока нагрузки и напряжения сети. В некоторых случаях в блоке питания стабилизатор напряжения может отсутствовать.
По числу фаз вторичной обмотки трансформатора выпрямительные схемы подразделяются на однофазные, трехфазные и др., по схеме соединения вентилей – на схемы с последовательным включением вентиля и вторичной обмотки трансформатора, мостовые и др., по форме выпрямленного напряжения – на одно - и двухполупериодные.
В наиболее простой схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 5.4 а) вентиль включен последовательно с нагрузкой и вторичной обмоткой – трансформатора.
Из временных диаграмм (рис. 5.4 б) видно, что ток нагрузки имеет пульсирующий характер. В течение первого полупериода напряжения U2, когда потенциал точки а положительный по отношению к потенциалу точки б, вентиль открыт и в нагрузке появляется ток. Во втором полупериоде полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противоположную, то есть потенциал точки а становится отрицательным по отношению к потенциалу точки б. При такой полярности вентиль включен в обратном направлении.
Если считать, что сопротивление закрытого вентиля равно бесконечности, то все напряжение вторичной обмотки трансформатора будет приложено к закрытому вентилю, и его максимальное значение составляет:
(5.1)
Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (постоянная составляющая):
, (5.2)
где U2 – среднеквадратичное (действующее) напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:
, (5.3)
где J2м – амплитуда тока.
Полная или расчетная мощности вторичной обмотки трансформатора, подсчитанная по действующим значениям тока J2 и напряжения U2, равны
(5.4)
Таким образом, расчетная мощность, определяющая габариты трансформатора, в 3,5 раза превышает мощность выпрямленного тока на нагрузке Pн=Jн.ср.Uн.ср., что свидетельствует о плохом использовании трансформатора в схеме.
Напряжение на нагрузке пульсирует, достигая максимального значения один раз за период. Разлагая эту кривую напряжения в ряд Фурье, увидим, что она состоит из постоянной составляющей Uн.ср. и ряда переменных составляющих синусоидальной формы.
Наибольшую амплитуду имеет переменная составляющая самой низкой (основной) частоты (первая гармоника напряжения), равная:
U1м=1,57Uн.ср. (5.5)
Пульсации тока или напряжения на нагрузке оценивают коэффициентом пульсаций q, под которым понимают отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей напряжения:
.(5.6)
Из выражения (5.5) следует, что амплитуда основной гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.
Большой коэффициент пульсаций и низкая частота (50 Гц) основной гармоники выпрямленного напряжения являются недостатками однополупериодной схемы. В сердечнике трансформатора за счет протекания постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник и изменяющий его характеристики. Это явление принято называть вынужденным намагничиванием трансформатора. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока приводит к необходимости увеличивать сечения проводов обмоток и размеров трансформатора в целом.
Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых в отличие от однополупериодных используются оба полупериода напряжения сети. Из них наибольшее распространение получил мостовой двухполупериодный выпрямитель (рис.5.5).
В одном из полупериодов напряжения сети, когда зажим (а) вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к зажиму (в), диоды с VD2 и VD4 открыты, а диоды VD1 и VD3 – закрыты. Ток в этом полупериоде течет по цепи: зажим (а) обмотки трансформатора, диод VD2, нагрузочный резистор Rн, диод VD4 и зажим (в).
В другом полупериоде зажим (а) имеет отрицательный потенциал по отношению к зажиму (в). В этом случае диоды VD2 и VD4 закрыты, VD1 и VD3 открыты, ток имеет направление от зажима (в) через диод VD3, нагрузочный резистор Rн, диод VD1 – к зажиму (а). При этом в течение всего периода ток в нагрузочном резисторе Rн имеет одно и то же направление. Положительным полюсом нагрузки являются общая точка соединения катодов вентилей, отрицательным – точка соединения анодов.
Временные диаграммы для мостовой схемы показаны на рис.5 б. Ток вторичной обмотки трансформатора i2 протекает в течение всего периода, причем направление его меняется каждый полупериод. Следовательно, во вторичной обмотке протекает только переменный синусоидальный ток, обеспечивая хорошее использование трансформатора. Поэтому габариты и масса трансформатора меньше, чем у однополупериодного выпрямителя, вследствие отсутствия намагничивания сердечника постоянным магнитным потоком.
Между анодом и катодом вентиля в непроводящем направлении приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора:
(5.7)
Интегрируя за период и усредняя выпрямленное напряжение, можно найти среднее значение напряжения (постоянную составляющую) на нагрузке:
, (5.8)
где U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Так как в течение периода в нагрузке проходят две полуволны тока одного напряжения, то постоянная составляющая тока в нагрузке будет в 2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе (см. формулу (5.3)), то есть:
(5.9)
Расчетную мощность вторичной обмотки трансформатора получим, используя выражения (5.8) и (5.9):
(5.10)
Для выпрямителей, за исключением однополупериодного, коэффициент пульсаций может быть найден в зависимости от эквивалентного числа фаз m по формуле:
. (5.11)
Причем двухполупериодный выпрямитель рассматривается как двухфазный с m=2:
, (5.12)
частота основной гармоники выпрямленного напряжения fо.г. равна удвоенной частоте сети.
(5.13)
Широкое применение в преобразовательной технике получил трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) (рис. 5.6), содержащий трехфазный трансформатор и шесть вентилей. Вентили объединены в две группы: анодную с объединенными анодами V2, V4, V6 и катодную с объединенными катодами V1, V3, V5. Рассмотрим работу схемы при соединении обмоток трансформатора в звезду.
В каждый момент времени (рис. 5.6,а, б) в схеме работают два вентиля: один из катодной группы, другой из анодной. В катодной группе ток проводит тот вентиль, анодное напряжение которого является в данный момент времени наибольшим, а в анодной – вентиль с наиболее отрицательным напряжением на катоде. Направление тока в схеме для одного из промежутков времени (t1 – t2 ) показано на схеме. В это время наибольшее напряжение Ua на аноде диода V1, а наименьшее Uв на катоде диода V4, поэтому ток течет от точки А через V1, Rн , V4 к точке В. В интервале времени t2 – t3 станет наибольшим, линейное напряжение Uac и выпрямленный ток будет направлен по цепи: V1, Rн, V6.
Таким образом, положительные полуволны выпрямляются вентилями катодной группы, так как это напряжение является для них проводящим, а отрицательные – вентилями анодной группы.
Направление выпрямленных токов через нагрузочный резистор остается одинаковым, и на Rн действует сумма выпрямленных напряжений анодной и катодной групп (рис. 5.6, б). Как видно из временной диаграммы, частота пульсаций напряжения на нагрузке в 6 раз больше частоты сети, так как за период 6 раз происходит смена пар вентилей, то есть :
(5.14)
Коэффициент пульсаций:
. (5.15)
Следовательно, пульсации в нагрузке составляют примерно 5% от выпрямленного напряжения.
Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке:
(5.16)
где U2ф – фазное, а U2л – линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора. Наибольшее значение обратного напряжения на вентиле равно линейному напряжению вторичной обмотки:
(5.17)
Ток i2 во вторичной обмотке трансформатора протекает дважды за период в противоположных направлениях, то есть ток вторичной обмотки чисто переменный, поэтому потока вынужденного намагничивания в трансформаторе не создается.
Преимущества трехфазной мостовой схемы:
1. Меньшая расчетная мощность трансформатора по сравнению с другими схемами благодаря чисто переменному току обмоток и отсутствию намагничивания
сердечника трансформатора.
2. Высокая частота и незначительные пульсации выпрямленного напряжения, уменьшающие размеры и массу сглаживающего фильтра.
3. Хорошее использование вентилей по напряжению, позволяющее получать высокие выпрямленные напряжения.
В таблице 5.2 для сравнения приведены основные параметры рассмотренных выпрямленных схем при работе на активную нагрузку.
Таблица 5.3
| Схема выпрямителя | Параметры | |||||
| 
| 
| 
| 
| 
| |
| Однополупериодная | 2,22 | 1,57 | 3,5 | 
| 1,57 | |
| Однофазная мостовая | 1,11 | 1,11 | 1,23 | 
| 0,667 | |
| Трехфазная мостовая | 0,437 | 0,817 | 1,05 | 1,05 | 0,057 |
Для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке служат сглаживающие фильтры. В качестве элементов фильтров применяют конденсаторы и катушки индуктивности, сопротивление которых зависит от частоты.
Рассмотрим емкостный фильтр (рис.5.7).
Конденсатор фильтра включается параллельно нагрузке и шунтирует ее по переменной составляющей напряжения. Ток iа в диоде появляется тогда, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора U2 становится больше напряжения на конденсаторе, что соответствует интервалам времени t1 – t2 и t3 – t4. В это время конденсатор Сф быстро заряжается через малое сопротивление открытого диода до амплитудного значения U2. С момента t2 напряжение U2 становится меньше напряжения на конденсаторе Uc, диод запирается, а конденсатор начинает разряжаться на нагрузочный резистор Rн. Процесс идет по экспоненте с постоянной времени τразр.=RнСф. К моменту времени t3 напряжение U2 вновь становится больше напряжения Uc, диод открывается и вновь ток ia начинает заряжать конденсатор Cф. Таким образом, ток iн в Rн, который без фильтра отсутствовал в отрицательные полупериоды напряжения U2, теперь имеется за счет медленного разряда конденсатора Cф. Это приводит к увеличению среднего значения выпрямленного напряжения и уменьшению его переменной составляющей.
Работа индуктивного фильтра (рис. 5.2, г) основана на явлении самоиндукции. Индуктивность включается последовательно с нагрузкой и пред-
Составляет собой большое сопротивление для переменной составляющей тока, поэтому переменная составляющая значительно ослабляется, и падение напряжения от этой составляющей на сопротивлении нагрузки Rн остается незначительным.
Для хорошего сглаживания необходимо, чтобы 
>>Rн, а активное сопротивление катушки индуктивности было мало.
Основным параметром фильтра, характеризующим его эффективность, является коэффициент сглаживания, представляющий собой отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя 
к коэффициенту пульсации на нагрузке 
:
. (5.18)
где 
– допустимая амплитуда основной гармоники пульсации на нагрузке;
- амплитуда основной гармоники напряжения на входе фильтра.
Для выпрямителей, за исключением однополупериодного, коэффициент пульсации может быть определен по формуле:
(5.19)
где m – эквивалентное число фаз выпрямителя.
Коэффициент пульсаций на нагрузке q1 можно найти как отношение U1м к Uн.ср. 
(5.20)
где: U1м – амплитуда основной гармоники, В.
Исходя из заданного коэффициента пульсаций, необходимая величина индуктивности фильтра будет равна:
(5.21)
Из формулы (4) видно, что включение индуктивного фильтра выгодно при малых сопротивлениях нагрузки (в выпрямителях средней и большой мощности).
Если требуется получить более высокий коэффициент сглаживания, то прибегают к сложным сглаживающим фильтрам. К ним относятся Г-образные фильтры LC- и RC- типов (рис. 5.2).
Для выполнения хорошего сглаживания практически считается достаточным выполнить условие 
. (5.22)
Тогда при заданном коэффициенте сглаживания S необходимая величина произведения LC определяется:
(5.23)
В маломощных выпрямителях, когда надо значительно уменьшить массу, габариты и стоимость фильтра, вместо индуктивности включают резистор Rф (рис.5.2,в).
При Xсф<<Rн происходит большее падение переменной составляющей выпрямленного напряжения, чем постоянной. Чтобы уменьшение постоянной составляющей выпрямленного напряжения было не очень большим, обычно величину Rф выбирают равной:
(5.24)
7. Контрольные вопросы
9.1. По каким признакам классифицируются выпрямительные схемы?
9.2. Объясните работу схем выпрямления: а) однополупериодной; б) двухполупериодной с выводом средней точки трансформатора; в) мостовой; г) трехфазной с выводом нулевой точки трансформатора; д) трехфазной мостовой.
9.3. Проведите сравнительную оценку схем выпрямителей, использовав основные соотношения для токов, напряжений, мощностей трансформатора и коэффициента пульсаций в каждой из схем.
9.4. Объясните работу схемы однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.
9.5. Объясните принцип действия индуктивного фильтра, Г – образных, RC – и LC – фильтров.
9.6. Укажите преимущества и недостатки RC – фильтра по сравнению с LC – фильтром.
9.7. Что такое внешняя характеристика выпрямителя?
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
а) основная литература
1. Аналоговая и цифровая электроника: учеб. для вузов / Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И.– М.: Горячая Линия-Телеком, 2005.- 768 с.
2. Лачин, В.И. Электроника / Лачин В.И., Савелов Н.С. – Ростов на Дону: «Феникс», 2002. – 576 с.
3. Прянишников В.А. Электроника: курс лекций. – СПб.: Корона-принт, 1998. – 400 с.
4. Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. – 488 c.
5. Волович, Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: ДОДЕКА-XXI, 2005. – 528 с.
6. Горбачев Г.И. Промышленная электроника / Горбачев Г.И., Чаплыгин Е.Е. – М.: Энергоатомиздат, 1988.– 320 с.
б) дополнительная литература
1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1982.– 492 с.
2. Основы промышленной электроники: учебник для неэлектротехнических вузов / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1986.– 336 с.
Учебно-методическое издание