Составление отчета

На основании протокола измерений составляется отчет о работе, который включает все данные, занесенные в протокол наблюдений, а также все необходимые вычисления, схемы, графики и диаграммы.

Отчет по выполненной работе составляется по соответствующей форме, приведенной в каждой работе, и должен содержать титульный лист с полной информацией об авторе.

Представляя результаты в графической форме, следует пользоваться масштабами, которые давали бы возможность легко пользоваться графиком. Рекомендуется применять шкалы, масштаб которых выражается числами 1, 2 или 5, умноженными на 10n, где n – целое число. Координатные оси должны быть обозначены с указанием единиц измерения.

На графиках экспериментальных зависимостей обязательно должны быть отмечены точки кривой, полученные в результате эксперимента. На расчетных кривых точки не ставятся.

Векторные и круговые диаграммы должны быть построены в масштабе с указанием его на диаграмме. Масштаб на векторных и круговых диаграммах обозначается указанием масштабного коэффициента. Например, если на диаграмме напряжений отрезку 1 см соответствует 5 В, то следует писать m_U =5 В/см. Если на диаграмме токов отрезку 1 см соответствует 0,1 A, то следует писать m_I = 0,1 A/см.

Отчет представляется преподавателю к следующему лабораторному занятию отдельно каждым студентом. Без сдачи отчета студент не допускается к выполнению очередной работы. Кроме того, вместе с отчетами каждый студент представляет протокол измерений, подписанный ранее преподавателем.

Цель работы

Исследование электрических цепей, содержащих полупроводниковые вентили, при питании их от источника синусоидального напряжения и изучение основных соотношений при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлении переменного тока, сопоставление теоретических и экспериментальных данных при работе выпрямителей с резистивной нагрузкой.

1. Общие сведения

Эффект выпрямления переменного тока в электрической цепи достигается включением в нее нелинейного элемента с несимметричной (относительно начала координат) характеристикой для мгновенных значений. В качестве таких элементов обычно используют электрические вентили - полупроводниковые приборы, проводимость которых значительно зависит от направления тока.

Рис. 1

Рис. 2

На рис. 1 показаны ВАХ реального (а) и идеального (б) вентилей. Схема однополупериодного выпрямителя показана на рис. 2. Вершина треугольника в обозначении (символе) диода указывает направление наибольшей проводимости, соответствующее участку ВАХ, расположенному в первом квадранте на рис. 1.

При синусоидальном напряжении ток в цепи не будет синусоидальным. Зависимость тока от времени можно построить графически.

На рис. 3 кривая 1 - ВАХ вентиля, прямая 2 - ВАХ резистора, их сумма по второму закону Кирхгофа - кривая 3.

В нижней системе координат построена кривая , а в правой - зависимость тока от , точки которой определяются следующим образом: задаются несколькими значениями в нижней и правой системах координат (на рис. 3 показаны только и ), по кривой в нижней системе для выбранных значений находят соответствующие им значения , которые переносят на ВАХ цепи (кривая 3), а найденные по ней значения тока для выбранных переносят в правую систему координат. Определение положения для точек А и В для и ясно из рис. 3.

Если вентиль идеальный, то значение прямого тока определяется только сопротивлением нагрузки , а обратный ток равен нулю.

В этом случае несинусоидальный ток можно представить рядом Фурье:

, (1)

где - максимальное значение выпрямленного тока.

Рис. 3

Из разложения в ряд видно, что постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники тока соответственно равны

и . (2)

Действующее значение переменного тока

. (3)

Для выпрямителя с идеальным вентилем и резистивной нагрузкой

. (4)

Напряжение на нагрузке также несинусоидальной формы. При известных гармонических составляющих разложения в ряд Фурье действующее значение напряжения на нагрузке

, (5)

где - постоянная составляющая напряжения на нагрузке, - квадрат действующего значения переменной составляющей напряжения на нагрузке.

В эксперименте постоянная составляющая тока измеряется амперметром магнитоэлектрической системы, а амплитуда первой гармоники определяется расчетным путем.

Активная мощность источника равна мощности нагрузки и определяется только первой гармоникой тока (т. к. в напряжении источника других гармоник нет).

, (6)

где U - действующее значение приложенного к цепи напряжения,

P - активная мощность энергии, отдаваемой источником в цепь.

Из (2), (4) и (6) следует

, (7)

В эксперименте действующее значение тока измеряется амперметром, встроенным в модуль измерителя фазы, постоянная составляющая напряжения на нагрузке измеряется вольтметром магнитоэлектрической системы, а переменная составляющая измеряется вольтметром электромагнитной системы, подключенным к нагрузке через конденсатор.

На рис. 4 изображена схема двухполупериодного мостового выпрямителя с резистивной нагрузкой. ВАХ цепи с двух­полупериодным выпрямителем одинакова для положительных и отрицательных напряжений источника питания, поэтому ток в цепи источника имеет синусоидальную форму (при идеальных вентилях). Через нагрузку ток протекает всегда только в одном направлении, поэтому при расчете тока нагрузки ВАХ цепи изображают симметричной относительно оси ординат (рис. 5).

Рис. 4

Разложение зависимости тока нагрузки от времени в ряд Фурье имеет вид

. (8)

Аналогичное выражение можно записать и для напряжения на нагрузке R_Н, т. к. оно связано с током по закону Ома.

Рис. 5

При двухполупериодном выпрямлении ток через нагрузку проходит в течение обоих полупериодов, поэтому его постоянная составляющая будет в 2 раза, а действующее значение - в раз больше, чем при однополупериодном выпрямлении при тех же значениях напряжения источника и сопротивления нагрузки. Также можно отметить, что переменная составляющая напряжения (пульсации напряжения) на нагрузке у этого выпрямителя меньше.