13269

Изучение различных схем сглаживающих фильтров

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: Изучение различных схем сглаживающих фильтров определение основных характеристик. Изучение параметрического стабилизатора на стабилитроне. Приборы:1. Универсальный стенд. Амперметр. Вольтметр. Осциллограф. 10.1Теоретическое введени...

Русский

2013-05-11

335 KB

127 чел.

Цель работы: Изучение различных схем сглаживающих фильтров, определение  основных характеристик. Изучение параметрического стабилизатора на стабилитроне.

Приборы: 1. Универсальный стенд.

  1.   Амперметр.
  2.   Вольтметр.
  3.  Осциллограф.

10.1Теоретическое введение.

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Выпрямленное напряжение является пульсирующим, в котором можно выделить постоянные и переменные составляющие. Коэффициенты пульсаций выпрямленных напряжений имеют следующие значения:

-   для однополупериодного однофазного выпрямителя    1,57

- двухполупериодного однофазного выпрямителя        0,67

-  трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом     0, 25

- трехфазного мостового выпрямителя                      0,057

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухудшается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т.д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т.д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определенных значений. Так, для основных каскадов автоматических систем он не должен превышать , для выходных усилительных каскадов , для автогенераторов , а для выходных каскадов электронных измерительных устройств . Сглаживающие фильтры включают между вентильной группой ВГ и стабилизатором постоянного напряжения с нагрузочным устройством Рн /см.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы индуктивные катушки и транзисторы сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Для постоянного и переменного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на два - три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным  параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

                                                         (10.1)

Рис.10.1 Схемы емкостных фильтров с однополупериодным  (а) и мостовым (в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с емкостным фильтром.

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падание постоянного напряжения на элементах минимальные габариты, массу и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные  и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делится на однозвенные и многозвенные.

Емкостные фильтры. Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору Rн (рис.10.1.а). Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на (рис.10.1.б). В интервал времени   конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения , так как в этот период напряжение . В это время как . В интервал времени , когда напряжение  становится меньше напряжения на конденсаторе , конденсатор разряжается на нагрузочный резистор , заполняя разрядным током паузу в нагрузочном тоне , которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напряжение на резисторе   снижается до некоторого значения, соответствующего времени , при котором напряжение  в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе . После этого диод вновь открывается, конденсатор  начинает заряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

Временные диаграммы тока и напряжений двухлолупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром (рис.10.1.в) приведены на рис.10.1.г. Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора  или  сопротивления нагрузочного резистора  будет изменяться значение   коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом  чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе . Разряд конденсатора  определяется постоянной времени разрядки . При  постоянной времени Т коэффициент пульсаций, определяемый по формуле

                                                         (10.2)

где - частота основной гармоники, не превышает 10-2.Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от изменения нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока , что происходит при уменьшении сопротивления , постоянная времени  уменьшается. Уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения , а пульсации возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максимальное значение тока  диода    определяется лишь сопротивлениями диода     и вторичной обмотки трансформатора, поэтому оно может достигать значения, больших . Такой  большой ток может  вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо  включать добавочный резистор. Кроме того, следует учитывать, что напряжение , прикладываемое к диоду, в два раза превышает , так как в  момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складывается.

Емкостный  фильтр  целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором   при мощности   не более нескольких десятков ватт.

Индуктивные фильтры. Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя , включают последовательно с нагрузочным резистором   (рис.10.2.а.). Он, так же как емкостной фильтр, относятся к типу однозвенный  фильтров. Работу индуктивного фильтра удобно рассмотреть с помощью временных диаграмм,  изображенных на рис.10.2.б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток  нагрузочного резистора , получается сглаженным. Действительно, вследствие того, что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямленного напряжения  зависят от постоянной времени  ,

Рис.10.2. Схема индуктивного фильтра с однополупериодным  выпрямителем  (а), временные диаграммы напряжения и токов (б), длительность импульса тока увеличивается с ростом . Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением

    (10.3)

Анализ выражения (3) позволяет сделать вывод, что фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше  или меньше . Обычно  .

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, т.е. в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами. В выпрямителях малой мощности использование индуктивного фильтра  нецелесообразно, поскольку они работают на высокоомные нагрузочные устройства. При этом выполнение условия  , приводит к необходимости включения дросселя с большими массой и габаритами, что является существенным недостатком индуктивного фильтра по сравнению с емкостным.

Рис.10.3. Схемы Г - образных L С - фильтра (а) и RC- фильтра (б).

Г – образные фильтры. Г - образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Этот фильтр может быть LC - типа (рис.10.3. а) и RС - типа (10.3.б.). Их применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания. Эти фильтры,  являясь более сложными по сравнению с однозвенными, обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций.

Снижение пульсаций LC -фильтром объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора. Снижение переменных составляющих выпрямленного напряжения обусловлена как сглаживающим действием конденсатора , так и значительным падением переменных составляющих напряжения на дросселе . В то же время постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе не уменьшается, так как отсутствует какое – ни будь значительное падение напряжения этой составляющей на очень малом активном сопротивлении дросселя. С учетом рекомендация по выбору значений  и  , изложенных ранее, выражение для коэффициента сглаживания LC - фильтра можно записать в виде

                                                    (10.4)

Оно позволяет рассчитать параметры этого фильтра по заданному значению коэффициента сглаживания:

                                                    (10.4,а)

В расчетах по формулам (10.4) одним из параметров (индуктивностью или емкостью) элементов фильтра задаются, исходя из габаритов, массы и стоимости элементов.

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько килоом, вместо дросселя  включают резистор  (рис.10.3.б), что существенно уменьшает массу, габарита и стоимость фильтра. При выборе     на резисторе  создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих выпрямленного тока, чем на резисторе . Если выбрать значение  из соотношения , то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе будет минимальным. В итоге, доля переменной составляющей в выпрямленном  напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе  значительно уменьшается. Коэффициент сглаживания для Г - образного RС - фильтра определяется из выражения

                                                (10.5)

Следует отметить, что коэффициент сглаживания RС - фильтра меньше, чем у LС - фильтра.

П - образные фильтры. П - образный фильтр относится к многозвенным фильтрам, так как состоит из емкостного фильтра (СФ1) и Г –образного LС – фильтра   или RС - фильтра  (рис.10. 4.а,б). Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров равен (при соблюдении определенных условий)  произведению коэффициентов составных звеньев (фильтров). Поэтому коэффициент сглаживания П - образного фильтра

                                                     (10.6)

где  - коэффициенты сглаживания С - фильтра и Г – образного фильтра. 

При сопротивлениях нагрузочного устройства в несколько килоом применяют П - образные C RC - фильтры, а при малых сопротивлениях (несколько Ом) – C LC - фильтры. Наибольший коэффициент сглаживания П- образного фильтра достигается при условии  . П - образные фильтры целесообразно применять, если коэффициент сглаживания должен быть равен 100 - 1000 и более. Большой коэффициент сглаживания П - образного фильтра по сравнению с Г - образным достигается за счет ухудшения таких параметров выпрямителя, как габариты, масса и стоимость.

Рис.10.4. Схемы П- образных LC- фильтра (а) и RC- фильтра б.

Электронные Фильтры. В последнее время все чаще начали применять электронные фильтры, в которых вместо индуктивных катушек включают транзисторы. Такая замена позволяет избавиться от переходных процессов, отрицательно влияющих на работу нагрузочного устройства и самого выпрямителя, при этом снижаются габариты, масса и стоимость выпрямителей.

Применение транзисторов в фильтрах основано на различие  сопротивлений для постоянной и переменной составляющих коллекторного тока. При выборе рабочей точки на пологом участке выходной характеристики (рис.10.5) сопротивление промежутка коллектор - эмиттер постоянному току (статическое сопротивление)  на два - три порядка меньше сопротивления этого промежутка переменному току  (динамическому сопротивлению), определяемого величиной . Электронные фильтры снижают пульсации примерно в 3 - 5 раз.

Рио.10.5. К пояснению сопротивления транзистора для постоянной и переменной составляющих выпрямленного тока.

 Рис.6. Схема последовательного электронного фильтра с включением нагрузочного резистора  в коллекторную цепь транзистора.

Различают два способа включения транзисторов в электронные фильтры: последовательно и параллельно нагрузочным устройствам. Последовательное включение транзисторов характерно для выпрямителей, имеющих высокое выходное напряжение (300 - 400 В). Параллельное включение осуществляется при низких выходных напряжениях, не превышающих нескольких десятков вольт.

На рис.10.6. изображена схема простейшего электронного фильтра, в котором транзистор включен последовательно с нагрузочным резистором . В этом фильтре для обеспечения фиксированного положения рабочей точки на пологом (рабочем) участке выходной характеристики в базовую цепь включается RС - цепь, постоянная времени которой  должна быть много больше периода пульсация основной гармоники выпрямленного напряжения


Рис.10.7.Схема последовательного электронного фильтра с включением нагрузочного резистора  в эмиттерную цепь транзистора.

Резистор Kg обеспечивает термостабилизацию режима работы транзистора, если в данном фильтре нагрузочный  резистор включен в коллекторную цепь транзистора, то в транзисторном фильтре, схема которого изображена на рис.10.7, резистор   включен в эмиттерную цепь, что позволяет получить низкое выходное  сопротивление выпрямителя с фильтром; следовательно такой фильтр мало чувствителен к изменениям тона . По этой причине электронный фильтр рис10.7.. представляющий собой эмиттерный  повторитель, получил наиболее широкое распространение. В нем рабочую точку транзистора определяет  -цепь, которая обеспечивает ее устойчивое положение при изменениях температуры и коэффициента усиления транзистора h21.

10.1.2 Стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.Напряжение (ток) нагрузочного устройства может сильно изменятся не только при изменениях нагрузочного тока , но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжения промышленных сетей переменного тока. Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей  среды, колебание частоты тока и т.д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1 – 3% а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть меньше.

Основным параметром, характеризующим качество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось, определяющими дестабилизирующими факторами, из-за который изменяются выходные величины стабилизатора являются выходное напряжение стабилизатора  и  нагрузочный ток-.

Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации по напряжению

                                                     (10.7)

где приращения значения входного и выходного напряжений, а   номинальные  значения входного и выходного напряжений. Для стабилизатора тока коэффициент стабилизации тока 

                                                      (10.8)

где - соответственно приращение и номинальное значение нагрузочного тока.

Помимо коэффициента стабилизации стабилизаторы характеризуются такими параметрами, как внутреннее сопротивление   и коэффициент полезного действия . Значение внутреннего  сопротивления стабилизатора  позволяет определить падение напряжения на стабилизаторе, а следовательно, и напряжения  на нагрузочном устройстве   при изменениях нагрузочного тока.

Коэффициент полезного действия стабилизатора характеризуется мощность потерь в нем и является основным энергетическим показателем стабилизатора:

где - полезная мощность в нагрузочном устройстве, - мощность потерь.

В ряде случаев необходимо учитывать массу, габариты и срок службы используемых стабилизаторов.

Параметрический стабилизатор напряжения. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения изображена на рис. 10.7.а. С помощью такого стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилизатор Д, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер.

Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор . Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного напряжения удобно объяснить с помощью рис.10.8, на котором изображены вольтамперная  характеристика полупроводникового стабилитрона и “опрокинутая”  вольтамперная характеристика резистора . Такое построение вольтамперных характеристик позволяет графически решить уравнение электрического состояния стабилизатора напряжение: . При увеличении напряжения (положение 1) на , например, из-за повышения напряжения сети, вольтамперная  характеристика резистора  переместиться параллельно самой себе и займет положение 2. Из рис.10.8.б видно, что напряжение  мало отличается от напряжения , т.е. практически напряжение  на стабилитроне и на нагрузочном резисторе  останется неизменным. Напряжение на нагрузочном устройстве останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока .

Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивления резистора  должно быть таким, чтобы его вольтамперная характеристика пересекла вольтамперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току стабилитрона , значение которого указанно в паспортных данных стабилитрона.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковым стабилитроне может достигать  30- 50.

 

Рис10.8. Схема параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне (а) и пояснение принципа действия параметрического стабилизатора (б).

10.2. Электрические схемы.

10.3. Выполнение работы

Задание 1.  Исследование сглаживающих фильтров. Снять внешние характеристики выпрямителей с различными видами фильтров. По получению данных определить входные сопротивления и коэффициенты сглаживания.

Задание 2. Изучение параметрического стабилизатора напряжений. Изменяя величину входного напряжения стабилизатора, определить  зависимость   при 3-х-5-и  различных значениях , По полученным данным построить графики  и  определить коэффициент стабилизации.

10.4. Вопросы для подготовки к семинару.

1. Назначение сглаживающих фильтров. Коэффициент сглаживания.

2. Емкостной фильтр. Схема, временные диаграммы, принцип сглаживания.

3. Индуктивный фильтр. Схема, временные диаграммы, принцип сглаживания.

4. Г - образный LC- - фильтр.

5. Г - образный RC- фильтр.

6. П – образный фильтр.

7. Электронные фильтры.

8.Назначение стабилизаторов тока и напряжения, их основные характеристики.

9. Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

47557. ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА МЕНЕДЖЕРА 949.5 KB
  Методические указания освещают вопросы выбора темы и написания выпускной квалификационной работы дипломного проекта требования по оформлению и защите а также содержат примерный перечень тем дипломных проектов рекомендуемую литературу и критерии оценки дипломных проектов. Организация выполнения дипломного проекта 4 1.1 Цели и задачи дипломного проекта 1.3 Основные этапы выполнения дипломного проекта 1.
47560. Принципи та технології легування, спеціальні сталі 198.5 KB
  Спеціальні сталі – це сталі властивості яких на відміну від звичайних вуглецевих сталей обумовлені як способом виробництва так і способом обробки та хімічним складом. В останньому випадку сталі називають легованими і вони є найбільш розповсюдженими спеціальними сталями....
47561. Разработка и принятие управленческих решений по организации изготовления или сборки машиностроительных изделий. Методические указания 420 KB
  Разработка управленческого решения должна осуществляться до начала организации изготовления или сборки изделия и направлена на эффективное использование материальных энергетических трудовых и финансовых ресурсов в процессе изготовления или сборки изделия. Запас финансовой прочности изделия определяемый по формуле: Зф.= Nгод Nкр x 100 Nгод 2 где Nгод годовой объем изготовления изделия в штуках; Nкр критический объем изготовления...
47562. Методические указания. Менеджмент 164.5 KB
  Эффективный менеджер: роли и функции в организации профессиональные и личные качества. Анализ взаимосвязей внутренних переменных организации. Внешняя среда организации: основные характеристики; среда прямого воздействия. Эффективность системы планирования в организации.
47564. Понятие предмет и метод экономического анализа 47 KB
  Методом ЭА является системное комплексное изучение, измерение и обобщение влияние факторов на результаты деятельности предприятия путем обработки специальными приемами системных показателей, плана, учета, отчетности и других источников информации с целью повышения эффективности производства.