12226

Исследование основных схем выпрямления и изучение влияния нагрузки и сглаживающих фильтров на их работу

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа №1 Исследование основных схем выпрямления и изучение влияния нагрузки и сглаживающих фильтров на их работу Цель работы: научиться снимать и строить характеристики схем выпрямления; научиться снимать осциллограммы напряжений; нау...

Русский

2013-04-24

75.08 KB

18 чел.

Лабораторная работа №1

Исследование основных схем выпрямления и изучение влияния нагрузки и сглаживающих фильтров на их работу

Цель работы:

  1.  научиться снимать и строить характеристики схем выпрямления;
  2.  научиться снимать осциллограммы напряжений;
  3.  научиться определять характер нагрузки и влияние изменения нагрузки на работу выпрямителя по виду осциллограмм;
  4.  научиться проводить сравнительный анализ различных выпрямительных схем.

Оборудование:

Персональный компьютер с виртуальным пакетом программ Electronic Workbench.

  1.  Теоретическая часть

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети, выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто - двухполупериодной), двухполупериодной мостовой (или просто – мостовой, реже называется как “схема Греца”), и схема удвоения (умножения) напряжения (схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.

Однополупериодный выпрямитель

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема однополупериодного выпрямителя и временные диаграммы

Как видно на осциллограммах напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 2.

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора(или одну со средней точкой).

Рисунок 2 - Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки и его временные диаграммы

Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Мостовая схема выпрямителя

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 3.

Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки - нагрузка - нижний вывод нагрузки - вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.

Рисунок 2 - Схема двухполупериодного выпрямителя (мостовая схема) и его временные диаграммы

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки - нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка.

Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.

Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах.

Ёмкостной фильтр 

Является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Применение ёмкостного фильтра рационально при достаточно больших значениях сопротивления нагрузки и коэффициента пульсаций на нагрузке. Фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно нагрузке.

Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие: , где m – пульсность схемы, т. е. количество пульсаций за период. Для однофазного однополупериодного выпрямителя m=1, для однофазного двухполупериодного со средней точкой и мостового выпрямителя m=2.

Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор C до напряжения Em. В то время когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку Rн и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый последующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова увеличивается.

Зарядка конденсатора через малое сопротивление диода VD происходит быстро. Разрядка на большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе C и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно. Кроме того конденсатор повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с ёмкостным фильтром находят по выражению: .

Индуктивные фильтры

Индуктивный фильтр - это катушка индуктивности (дроссель), включенная последовательно с нагрузкой. Катушка индуктивности (КИ) - это отрезок проводника, намотанный на сердечник, обладающий свойством накапливать магнитную энергию при протекании по нему электрического тока. Дроссель низкой частоты - это катушка индуктивности с магнитопроводом, предназначенная для использования в электрических цепях в качестве индуктивного сопротивления.

Возьмем тот же самый выпрямитель. Как включается КИ понятнопоследовательно с нагрузкой. Как отмечалось выше, КИ способна накапливать энергию при протекании тока. При протекании тока через индуктивность она запасает энергию. Затем энергия выделяется в нагрузке и т. д. В другом аспекте: поскольку катушка обладает индуктивным сопротивлением, равным X = ωL, то нетрудно заметить, что при увеличении частоты сопротивление также пропорционально увеличивается. Аналогично для индуктивности. Поскольку для постоянного тока частота равна нулю, то и сопротивление будет равным нулю. Другими словами, индуктивность не пропускает переменной составляющей в нагрузку, тогда как постоянная составляющая беспрепятственно проходит через индуктивность.

Индуктивно-ёмкостные фильтры

Широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. КПД у таких фильтров достаточно высокий. Недостатки индуктивно-ёмкостных фильтров: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный LC-фильтр.

Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий: и .

  1.  Экспериментальная часть

Для всех схем необходимо проверить, что напряжение питания равно 50 В, а частота 50 Гц, если это не так, то необходимо установить требуемые значения.

Варианты заданий берем из таблицы 1. R0=1000 Ом.

Таблица 1 – Варианты заданий

R1

R2

R3

R4

R5

Схема

1

0.9R

0.7R

0.5R

0.3R

0.1R

1.Однополупериодный выпрямитель.

2.Работа на индуктивность

2

1R

0.8R

0.6R

0.4R

0.2R

1.Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки

2.Работа на емкость

3

0.85R

0.65R

0.45R

0.25R

0.05R

1.Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема.

2.Работа на индуктивно-емкостную нагрузку

4

0.95R

0.75R

0.55R

0.35R

0.15R

1.Однополупериодный выпрямитель

2.Работа на емкость

5

0.12R

0.9R

0.6R

0.3R

0.1R

1.Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки

2.Работа на индуктивно-емкостную нагрузку

6

0.11R

0.95R

0.6R

0.45R

0.3R

1.Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема

2.Работа на индуктивность

 

  1.  Исследование однополупериодного выпрямителя

  1.  Загрузить и зарисовать схему.
  2.  Проверить выполнение соотношения , где n – коэффициент трансформации трансформатора.

Посмотреть коэффициент трансформации можно, раскрыв окно двойным щелчком правой кнопки мышки по трансформатору.

  1.  Произвести заполнение таблицы 3. Для этого необходимо предварительно запустить моделирование схемы, щелкнув по пиктограмме . Все изменения в схеме (удаление, добавление новых элементов, повышение, понижения в параметрах и т.д.) производятся при остановке моделирования процесса (щелчок по пиктограмме – “стоп” ).

Таблица 2

Rн, МОм

xx

R1

R2

R3

R4

R5

0 (кз)

U0, В

I0, А

U1, В

I1, А

U2, В

I2, А

η=P0/P1=(U0∙I0)/(U1I1)

Изменение сопротивления производится двойным щелчком по резистору и в открывшемся окне в строке сопротивления вводится необходимое значение. хх – режим холостого хода, то есть необходимо удалить резистор. Удаление резистора производится следующим образом: Щелкаем правой кнопкой мыши на резисторе для его выделения и нажимаем клавишу Del.

  1.  Построить зависимость U0 от I0 (внешняя характеристика) и зависимость η от I0.

1.5 Закрыть данную схему.

  1.  Исследование двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки

  1.  Загрузить и зарисовать схему.
  2.  Произвести заполнение таблицы 3 (аналогично заданию 1.3).

Таблица 3

Rн, МОм

xx

R1

R2

R3

R4

R5

0 (кз)

U0, В

I0, А

U1, В

I1, А

η=P0/P1=(U0∙I0)/(U1I1)

  1.  Построить зависимость U0 от I0 (внешняя характеристика) и зависимость η от I0.
  2.  Закрыть данную схему.

  1.  Исследование двухполупериодного выпрямителя, мостовая схема

  1.  Загрузить и зарисовать схему.
  2.  Произвести заполнение таблицы 3 (аналогично заданию 1.3).
  3.  Построить зависимость U0 от I0 (внешняя характеристика) и зависимость η от I0.
  4.  Закрыть данную схему.

Сделать вывод о проделанной работе.

  1.  Исследование работы выпрямителя на емкостной фильтр

  1.  Загрузить и зарисовать схему.
  2.  На конденсаторе установить емкость, удовлетворяющую условию , где сопротивление нагрузки Rн=1МОм, ω=2πf, f=50Гц, m=2. Зарисовать осциллограмму на сопротивлении нагрузки. Для этого необходимо запустить моделирование, дождаться момента, когда установиться процесс и нажать на “стоп”. После этого раскрыть осциллограф двойным щелчком мышки и зарисовать полученную осциллограмму.
  3.  Далее необходимо снять осциллограммы при значении емкости больше в 5, 10 и 50 раз, чем емкость, полученная в пункте 4.2. (В отчете необходимо зарисовать полученные осциллограммы в одних осях координат). Сделать вывод, объяснить при какой емкости сглаживание производится  лучше, чем это обусловлено.
  4.  Закрыть схему.

  1.  Исследование работы выпрямителя на индуктивный фильтр

  1.  Загрузить и зарисовать схему.
  2.  На катушке установить индуктивность, удовлетворяющую условию , где сопротивление нагрузки Rн=1МОм, ω=2πf, f=50Гц, m=2. Зарисовать осциллограмму на сопротивлении нагрузки.

5.3 Далее необходимо снять осциллограммы при значении индуктивности больше в 2, 5 и 10 раз, чем индуктивность, полученная в пункте 5.2. (В отчете необходимо зарисовать полученные осциллограммы в одних осях координат). Сделать вывод, объяснить при какой индуктивности сглаживание производится  лучше, чем это обусловлено.

5.4 Закрыть схему.

  1.  Исследование работы выпрямителя на индуктивно-емкостной фильтр

  1.  Загрузить и зарисовать схему.
  2.  На катушке установить индуктивность, удовлетворяющую условию , а на конденсаторе установить емкость, удовлетворяющую условию , где сопротивление нагрузки Rн=1МОм, ω=2πf, f=50Гц, m=2. Зарисовать осциллограмму на сопротивлении нагрузки.

6.3 Далее необходимо снять осциллограммы при значении индуктивности и емкости больше в 2 и 5 раз, чем индуктивность и емкость, полученные в пункте 5.2. (В отчете необходимо зарисовать полученные осциллограммы в одних осях координат). Сделать вывод, объяснить при каких значениях емкости и индуктивности сглаживание производится  лучше, чем это обусловлено.

6.4 Закрыть схему.

Сделать общий вывод по проделанной работе.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59233. Рідна природа 33 KB
  Звідки ж прилетіли сніжинки З неба З якого неба Веселого чи сердитого похмурого Сердитого похмурого де пливуть хмаринки. Проводиться вправа на розвиток мовного дихання Сніжинки або Снігопад.
59234. Світлий трагізм фіналу трагедії В. Шекспіра Ромео і Джульєтта 37.5 KB
  Сьогодні на уроці ми повинні довести що Ромео і Джульєтта це світла ренесаcна анти містична трагедія. Ця ворожнеча зла доля Ромео і Джульєтти яка призводить їх до загину.
59235. Визволення Принцеси Математики з полону Чахлика Невмирущого 32.5 KB
  Мета: перевірити знання дітей про кількісну і порядкову лічбу в межах 10; про геометричні фігури. Закріпити уміння розв’язувати елементарні задачі на додавання і віднімання. Закріпити знання дітей про час (дні тижня).
59236. УЗАГАЛЬНЕННЯ ЗНАНЬ ПРО ПРИКМЕТНИК 48.5 KB
  Ми повторимо все що знаємо про прикметники; Закріпимо вміння знаходити його в тексті ставити питання до прикметника та складати з ним речення і словосполучення.
59237. Ходить, ходить зима гаєм... Урок читання: Зима-білосніжка 37 KB
  Мета уроку: Навчати учнів бачити відчувати створені словами образи природи; спостерігати за змінами які відбуваються у природі з настанням зими; розширити знання учнів про особливості зимівлі окремих тварин...
59239. В. Стус. Життя. Доля. Поезія 87 KB
  Стуса зрозуміти його трагічну долю. Стуса. Стуса розуміти його трагічну долю відчайдушну боротьбу в тоталітарній державі €œрозвиненого соціалізму за національну незалежність українського народу.
59241. Сценарій змагань КВВ (клубу веселих і винахідливих) 32.5 KB
  Команда яка одягнулася першою одержує 5 очок. Якість вірші оцінюється від 2 до 5 очок. Команді яка переможу нараховують 5 очок тим що програли 3 очка. В цьому конкурсі приймають участь тільки дівчата 5 очок і 4 очка.