Лабораторная работа 1 Исследование выпрямительных схем и сглаживающих фильтров

Цели работы:

1. Исследование двухполупериодного выпрямителя.

2. Исследование мостовой схемы полупроводникового выпрямителя.

3. Изучение сглаживающих фильтров LC- и RC-типов.

Оборудование:

1. Лабораторный макет.

2. Осциллограф CI-65А.

3. Цифровой вольтметр В7-16А.

Рекомендательный библиографический список: [1], Гл.3: §§ 3.1, 3.2; Гл.16: §§ 16.1, 16.2; [2], Гл.13: §§ 13.1, 13.2, 13.4,-13.5; Гл.10: §§ 10.3, 10.9.

Выпрямителем называется устройство, преобразующее напряжение промышленной частоты в постоянное напряжение. Основными узлами выпрямителя являются: трансформатор, электрический вентиль исглаживающий фильтр. Трансформатор служит для преобразования стандартного напряжения сети в переменное напряжение такой величины, которая соответствует заданному выпрямленному напряжению. С помощью вентилей происходит преобразование переменного напряжения в постоянное пульсирующее напряжение. Сглаживающие фильтры служат для уменьшения амплитуды переменной составляющей выходного напряжения выпрямителя – для сглаживания пульсаций. Выпрямитель характеризуется такими основными параметрами, как постоянная составляющая (среднее значение) выпрямленного напряжения U₀ или тока I₀ и коэффициент пульсаций К_п. Кроме того, важными показателями, характеризующими работу выпрямителя, являются его выходное сопротивление и нагрузочная характеристика – зависимость постоянной составляющей выходного напряжения от постоянной составляющей тока нагрузки U₀=f(I₀). Коэффициентом пульсаций К_п называется отношение амплитуды максимальной переменной составляющей выходного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения К_п= U_m/U₀. Чем меньше К_п, тем ближе форма кривой выпрямленного напряжения к прямой линии.

Простейшей схемой выпрямителя является однополупериодная схема (рис. 1.1). В этой схеме вентиль открыт в течение половины периода, когда на его аноде имеется положительный относительно катода потенциал. В течение другой половины периода вентиль закрыт и напряжение на выходе выпрямителя равно нулю. В качестве вентилей могут использоваться либо полупроводниковые, либо вакуумные диоды.

Недостатком однополупериодных выпрямителей является высокий коэффициент пульсации К_п=1,57, ограничивающий их применение. Они используются, как правило, лишь в маломощных выпрямителях (ток нагрузки до 10 мА).

Более распространена двухполупериодная схема. Для такой схемы (рис.1.2) необхо­дим силовой трансформатор, имеющий вывод от средней точки вторичной обмотки. Вторичная обмотка трансформа­тора выполнена так, чтобы на ее крайних точках были одинако­вые, но противофазные относи­тельно средней точки напряже­ния. В этой схеме диоды поочередно в течение своего полупериода проводят ток в общую нагрузку.

Двухполупериодная схема имеет преимущества по сравнению с однополупериодной. Во-первых, ток проходит через вторичную обмотку трансформатора в течение каждого полупериода в разных направлениях.

Во-вторых, частота пульсаций вдвое больше и равна 100 Гц, так как за период напряжения сети ток в нагрузке и напряже­ние на ней дважды достига­ют максимума. В-третьих, его выходное сопротивле­ние вдвое меньше. В-четвертых, коэффициент пульсацийК_п меньше и равен 0,67.

Широкое распространение получила мостовая схема выпрямителя (рис.1.3), которая дает точно такой же результат, как и двухполупериодная, но имеет более простой трансформатор с одной вторичной обмоткой. В ней к одной диагонали моста подводится переменное напряжение, а с другой – снимается выпрямленное.

Достоинство мостовой схемы по сравнению с двухполупериодной состоит в том, что диоды могут быть рассчитаны на вдвое меньшее обратное напряжение, так как оно равно амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке. Однако в цепи прямого тока в любой момент последовательно включены два диода, что снижает экономичность схемы из-за падения напряжения, на них при протекании прямого тока. В тех случаях, когда выпрямленное напряжение соизмеримо с прямым падением напряжения, применяют двухполупериодную схему.

В мостовой схеме частота пульсаций также равна удвоенной частоте сети, а коэффициент пульсаций, как и у двухполупериодного выпрямителя, равен 0,67.

В большинстве случаев для питания электронной аппаратуры допускаются весьма малые (порядка десятых долей процента) пульсации выпрямленного напряжения. В то же время на выходе выпрямительных схем пульсации во много раз превышают допустимую. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Основными требованиями к сглаживающему фильтру являются максимальное уменьшение переменной составляющей и минимальное уменьшение постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Элементами сглаживающего фильтра являются: дроссель Др или резистор R, включаемые последовательно в выходную цепь выпрямителя, и один-два конденсатора С, включаемые параллельно сопротивлению нагрузки (LC- и RC-фильтры). Обычно в качестве конденсатора используются оксидные конденсаторы, обладающие большой емкостью при малых размерах (десятки, сотни мкФ).

ОсобенностьюLC-фильтров являются небольшие потери, позволяющие применять их в установках с относительно большим током нагрузки. В маломощных выпрямителях (ток до 10-15 мА) можно применять RC-фильтры. Их недостатком является низкий кпд. Обычно на резисторе теряется до 10% выпрямленного напряжения, что допустимо только в маломощных источниках питания. В зависимости от способа соединения входящих в фильтр элементов фильтры подразделяются на Г-образные: одно- и двухзвенные, П-образные и Т-образные (рис.1.4).

Важной характеристикой фильтров является коэффициент сглаживания q = К_п1/К_п2, где: К_п1 – коэффициент пульсаций на входе фильтра, К_п2 – коэффициент пульсаций на выходе фильтра.