Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

эмиттерного перехода (диода) с явно выраженной нелинейностью ВАХ. Так как коэффициент пульсации непосредственно на выходе выпрямителя велик, то после выпрямителя ставится фильтр, на выходе которого коэффициент пульсации много меньше, чем на выходе. Для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей цепи используется стабилизатор напряжения или тока.

К основным электрическим показателям характеризующим ВИП как единое целое относятся:

1.величина постоянного напряжения на выходе ВИПвыпрямленное напряжение (напряжение на нагрузке) U0;

2.постоянная составляющая выходного тока - выпрямленный ток I0;

3.коэффициент пульсаций KП выходного напряжения (тока).

4.выходное сопротивление ВИП для переменных токов Rвых.

Рассмотрим принцип построения и работы выпрямителя, фильтра и стабилизатора.

2.2. Выпрямители

Простейшей схемой выпрямителя является однофазная схема, работающая на чисто активную нагрузку (рис.3а). Она состоит из простого трансформатора и вентиля, в качестве которого в настоящее время чаще других используют полупроводниковый кремниевый диод. Вентилем называют прибор, обладающий несимметричной проводимостью – малым сопротивлением для прямого тока и большим сопротивлением для обратного тока.

При включении в цепь источника переменного тока на диоде появляется разность потенциалов. Пусть в течении первого полупериода в точке а будет положительный потенциал, в точке б отрицательный.

51

а)

б) Рис.3

В течении этого полупериода в цепи будет прямой ток, а в течении второго обратный. Так как обратный ток достаточно мал, то им можно пренебречь, и в цепи получится ток постоянный по направлению и переменный по значению, т.е. пульсирующий. Изменение мгновенных значений напряжения и силы тока в цепи представлены на графике рис.3б. Таким образом, диод проводит в течении половины периода (диод как ключ замкнут), а в течении другой половины не проводит (диод как ключ разомкнут). В однополупериодной схеме выходной ток определяется выражением

i Im sin t 0	,	(6)

52

а средневыпрямленный ток по периоду I0 (не путать с Iср, который определяется по положительному полупериоду) равен:

		1	T / 2				Im			(7)
I0		T	I m sin tdt					0,318 I m
	0
Средневыпрямленное						напряжение			(постоянная
составляющая) U0 и постоянная составляющая тока I0 равно:
				Um						(8)
	U 0				0,318 U m

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения называется коэффициентом выпрямления.

U			U m										(9)
	0								2			0,45
U			U	m
					2

т.е. U 0 0,45 U

Обратное напряжение, действующее на диод равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки:

	U		U m U	(10)
		обр		0

Коэффициент пульсации определяется отношением амплитуды первой гармоники на нагрузке U m1 к среднему

значению напряжения (силы тока). Разложив выражение для импульсов напряжения при однополупериодном выпрямлении в ряд Фурье, получим

U

н

0,318 U

mн

0,5U

mн

sin( t

) 0,212U

mн

cos( t

) ... (11)

1

2

Первый

член

ряда

является

постоянной составляющей

( 0,318Umн U0н ), а

второй 0,5Umн sin( t 1 ) -

первой

гармоникой. Следовательно,

53

K П		U mн			0,5U mн	1,57	(12)
		U	0н		0,318U mн

Величина коэффициента пульсации в однополупериодном выпрямителе оказывается большой, что является существенным недостатком этой схемы. Кроме того, ток во вторичной обмотке трансформатора проходит только в одном направлении, создавая постоянное подмагничивание, что увеличивает размеры и массу трансформатора.

Поэтому для повышения эффективности выпрямления используется двухполупериодная схема, которая отличается от однополупериодной наличием двух диодов и более сложным трансформатором, вторичная обмотка которого имеет отвод от средней точки (рис.4а).

В результате этого ток в нагрузке проходит в течение обоих полупериодов входного напряжения. В первом полупериоде, когда напряжение в точке а положительно относительно нулевого вывода, открывается диод VD1 и через нагрузку Rн протекает ток i1=iн. В этом полупериоде в точке б напряжение отрицательное и диод VD2 находится под обратным напряжением и поэтому закрыт. Во втором полупериоде напряжение в точке а будет отрицательным, а в точке б положительным (знаки потенциалов указаны в скобке). Тогда начинает проводить ток диод VD2 (iн=i2), а диод VD1 оказывается под обратным напряжением.

Далее процессы в схеме периодически повторяются, в результате чего ток iн протекает через нагрузку Rн в одном направлении, т.е. является выпрямленным током нагрузки, среднее значение которого показано на рис.4б (средний график).

Диоды в схеме проводят ток парами поочередно. Обратное напряжение, приложенное к любому закрытому диоду, равно сумме напряжений на обеих вторичных обмотках. Например, на интервале 0,5 Т…Т, когда открыт диод VD2, к аноду диода VD1 приложено отрицательное напряжение U2΄, а к его катоду положительное напряжение Uн =U2΄΄,выделяемое на нагрузке Rн. Поэтому мгновенное обратное напряжение Uобр = U2΄+ U2΄΄=2 U2΄(рис.4б - нижний график), а максимальное

54

обратное напряжение на закрытом диоде равно сумме их амплитуд.

а)

б) Рис.4

При двухполупериодном выпрямлении среднее значение выпрямленного напряжения и силы тока определяется по следующим формулам:

U0 2Um 0,636 Um

55

I0 2	Im	0,636 Im ,
		(13)

т.е. в два раза выше, чем в однополупериодном.

Напряжение на нагрузке является пульсирующим. Разложив в ряд Фурье, получим

U н 0,636 U mн 0,425U mн sin( 2 t 1 ) ....(14)

Тогда коэффициент пульсации при двухполупериодном

выпрямлении будет равен:

K П

U mн

0 ,425U mн

0 ,67

(15)

U0н

0 ,636U mн

На практике для определения коэффициента пульсации

при двухполупериодном выпрямлении пользуются формулой

K П

2

,

(16)

m2 1

где m – число фаз выпрямления.

В

нашем

случае m

=2

(две вторичных обмоток) и

K

2

2

0,67 ,

что

значительно

меньше, чем

при

П

1

4

3

однополупериодном выпрямлении. Лучше используется и трансформатор. В двухполупериодной схеме ток во вторичной обмотке каждый полупериод протекает в противоположных направлениях, что теоретически устраняет подмагничивание.

Для получения двухполупериодного выпрямления используется также мостовая схема (рис.5), которая выгодно отличается от выпрямителя с нулевым выводом, так как используется простой трансформатор (без нулевого вывода со вторичной обмотки) в принципе в мостовой схеме трансформатор вообще может отсутствовать, и поэтому выпрямитель можно непосредственно включить в сеть переменного тока. Допустим, что в начальный момент времени на верхнем конце вторичной обмотки (точка а) по отношению к нижнему концу (точка б) существует положительный

56

потенциал. В этом случае ток в схеме течет по цепи VD2- Rн- VD4. В следующий полупериод точка б положительна относительно точки а и ток течет по цепи VD3- Rн- VD1. Направление тока через Rн не меняется, а через вторичную обмотку меняется. Так как в мостовой схеме используются оба полупериода напряжения, то она называется двухполупериодной однофазной схемой. Осциллограммы напряжения и тока на нагрузке имеют такой же вид, как и на рис.4б. Максимальное обратное напряжение в мостовой схеме равно сумме амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке и напряжения на нагрузке. Однако следует иметь в виду, что это напряжение приложено к двум последовательно включенным диодам и поэтому делится между ними пополам. Коэффициент пульсации меньше, чем в ранее рассмотренной однополупериодной схеме (при прочих равных условиях).

Рис. 5

2.3.Сглаживающие фильтры

Наличие переменной (пульсирующей) составляющей в кривой выпрямленного напряжения всегда нежелательно для нормальной работы электронных устройств. Для уменьшения коэффициента пульсаций применяют сглаживающие фильтры, которые включаются между выпрямителем и активной нагрузкой. В основу сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы – конденсаторы и дроссели (индуктивные катушки), представляющие соответственно малое и большое сопротивления для переменного, и наоборот, большое и малое сопротивления для постоянного тока. При этом конденсаторы включаются параллельно нагрузке Rн, а дроссели

57

последовательно с ней. Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его входе и выходе:

K	К Пвх	,	(17)

КПвых

атакже падением постоянного напряжения на фильтре. Это важно из-за того, что через фильтр проходит весь ток нагрузки и чем меньше падение напряжения на нем, тем меньшая мощность бесполезно теряется в фильтре. Чем больше коэффициент сглаживания, тем выше качество ВИП. На практике применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров: емкостной, индуктивный, Г- образный и П-образный LC –фильтры.

Впростейшем случае напряжение сглаживается с помощью емкости, подключенной параллельно нагрузке (рис.6).сгл

Рис. 6

В этой схеме (выпрямителя с емкостным фильтром) включением r учитывается сопротивление вторичной обмотки трансформатора, потери на рассеивание и сопротивление диода в открытом состоянии. Фильтрующие свойства конденсатора основываются на его способности накапливать электрическую энергию на тех отрезках времени, когда диоды выпрямителя открыты, и возвращать энергию в нагрузку, когда диоды закрыты. Если Xc<<Rн, то уже за первые несколько периодов конденсатор зарядится до амплитудного значения входного напряжения и в схеме установится стационарное состояние, при котором конденсатор будет периодически «подзаряжаться» через диоды, а затем разряжаться через нагрузку (рис.7).

58

Рис. 7

Введение простейшего емкостного фильтра приводит к тому, что в выпрямителе начинают действовать как бы два источника энергии. В те моменты времени, когда диоды открыты, источником энергии является сеть, в остальное время

– конденсатор. Это приводит к резкому возрастанию постоянного напряжения на нагрузке и одновременно к уменьшению пульсаций. Выходное напряжение и коэффициент пульсации связаны с постоянной времени разряда конденсатора.

Рассмотрим работу выпрямителя с простым емкостным фильтром на примере однополупериодной схемы. В полупериод, когда анод диода окажется более положительным, чем катод, через диод пройдет ток (интервалы времени t0 - t1, t2 - t3 и т.д. на рис.7). конденсатор начнет заряжаться с постоянной времени 3 = с в полярности, показанной на рис.6. В тот момент, когда мгновенное напряжение на вторичной обмотке U2 станет равно напряжению на конденсаторе (выходному напряжению), прямой ток через диод прекратится и конденсатор начнет разряжаться через сопротивление Rн с постоянной

времени p = RнС (интервалы времени t1 - t2, t3 - t4 и т.д. на рис.7). Поскольку p >> 3 (из-за RH >> r), то на начальном

этапе заряд электронов, поступающий в конденсатор за время зарядки, больше заряда, теряемого во время разряда, и выходное напряжение растет от периода к периоду. Рост выходного напряжения прекратиться, когда заряд, приобретаемый конденсатором, будет равен заряду, теряемому им в течение одного периода, то есть: Qзар=Qразр. Рассмотрим этот

59

установившийся режим и для упрощения анализа заменим реальную форму напряжения пилообразной (рис.8).

Рис. 8

Тогда постоянная составляющая выходного напряжения (Uт/ =0.318Uт) определяется из рисунка очевидным выражением U0=Umс-∆Uс/2 , ∆Uс=2(Umс-U0) в котором величину ∆Uс можно определить из соображений стационарности процесса заряда и разряда конденсатора. Заряд, который получает конденсатор за время t2-t1 равен Qзар=C∆Uс . Заряд, который теряет конденсатор за время t3-t2 равен Qразр=I0(t3-t2). Интервал времени t3-t2 из рисунка можно выразить через угловые единицы:

	t3-t2=π +(π -θ)= 2 -θ,
тогда	Qразр=I0(t3-t2)=U0/RH(2π-θ).
Условие стационарности (Qзар=Qразр) дает уравнение
	C∆Uс= U0/RH(2π-θ),
из которого находим
	∆Uс= U0/RH(2 π-θ)=U0(2 π/τ-θ/τ)= U0(T/τ-θ/τ),	(18)
а относительная величина пульсации

60