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

21 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

36514. Об’єднана формула Максвелла-Больцмана розподілу молекул за швидкостями 177.18 KB
  Потенціальна енергія молекули залежить від її положення . Зміна потенціальної енергії спричиняє зміну і кінетичної енергії молекул оскільки . Але середня кінетична енергія не змінюється а отже не змінюється і температура газу оскільки вона є мірою кінетичної енергії молекул газу.
36515. Броунівський рух. Теорія Ейнштейна-Смолуховського. Дослід Перена по визначенню числа Авогадро 244.82 KB
  Запишемо рівняння руху такої частинки де нескомпенсована результуюча сила дії з боку молекул середовища яка примушує броунівську частинку рухатись у певному напрямку; сила тертя зумовлена вязкістю середовища. У проекції на вісь рівняння руху броунівської частинки набуває вигляду . Розвязок рівняння її руху може нам дати координату руху але хаотичний рух вимагає усереднення за довгий проміжок часу. Давайте використаємо дві очевидні тотожності : і підставимо їх у...
36516. Теплове ковзання. Радіометричний ефект. Радіометричний манометр 207.96 KB
  Капиллярногравитационными волнами называются волны распространяющиеся по поверхности жидкости под действием сил поверхностного натяжения и силы тяжести. рассмотрим случай когда глубина жидкости значительно больше длины волны. Это можно сделать очень просто если воспользоваться следующим результатом вытекающим из уравнений гидродинамики несжимаемой жидкости. В плоской бегущей синусоидальной волне малой амплитуды каждая частица жидкости движется по окружности расположенной в вертикальной плоскости проходящей через направление...
36517. Самодифузія. Коефіцієнт самодифузії, його залежність від тиску і температури 284.09 KB
  Цикл Карно і його к. Теореми Карно. У циклі Карно задача якомога спрощена. Цикл Карно виглядає наступним чином.
36518. В’язкість (внутрішнє тертя). Коефіцієнт в’язкості, його залежність від тиску і температури. Методи визначення коефіцієнту в’язкості. В’язкісний манометр 163.66 KB
  Коефіцієнт вязкості його залежність від тиску і температури. Методи визначення коефіцієнту вязкості. Коефіцієнтом пропорційності у цьому рівнянні є величина яка має назву коефіцієнта динамічної вязкості або коефіцієнта внутрішнього тертя. За одиницю динамічної вязкості у системі СІ приймається коефіцієнт вязкості такої речовини у якій за одиницю часу при градієнті швидкості рівному 1 с1 через площадку площею 1 м2 переноситься імпульс рівний 1 кгм с.
36519. Обертальний броунівський рух 201.25 KB
  Залежна від цих змінних внутрішня енергія є термодинамічним потенціалом або характеристичною функцією. Зауважте внутрішня енергія є термодинамічним потенціалом лише коли вона залежить від ентропії і температури . Коли внутрішня енергія залежить від інших змінних вона не буде термодинамічним потенціалом. Для адіабатного ізохорного процесу внутрішня енергія .
36521. Флуктуації. Міра флуктуації. Адитивність дисперсії 197 KB
  Фізичні величини що характеризують макроскопічне тіло яке знаходиться у стані рівноваги практично завжди з великою точністю дорівнюють своїм середнім значенням. Але відхилення від середнього значення все ж таки мають місце у звязку із чим виникає питання про знаходження розподілу ймовірностей цих відхилень. Ми ввели середнє значення як . Реальне значення величини практично завжди відрізняється від .
36522. ИННОВАЦИОННЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ 60 KB
  Инновация считается осуществленной если она внедрена на рынке или в производственный процесс. Свойства инновации: научнотехническая или организационная новизна производственная применимость коммерческая реализуемость 5 основных признаков инновации по Шумпетеру: новый метод производства использование новой техники новых технологических процессов новый продукт новые свойства известного продукта использование нового сырья новых источников сырья новая или обновлённая структура управления появление новых рынков сбыта. Классификация...