72697

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ВИПРЯМЛЯЧІВ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Трансформатор використовується для перетворення напруги мережі до необхідної величини а також для розділення кіл постійного і змінного струмів. Електричний вентиль здійснює перетворення змінної напруги в пульсуючу де частота пульсації залежить від використання схеми за якою побудовано випрямляч.

Украинкский

2014-11-26

823 KB

5 чел.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 11.

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ

ВИПРЯМЛЯЧІВ

Мета роботи

Провести дослідження однопівперіодної та двопівперіодної схем випрямлячів, схеми фільтрів, а також методи розрахунків випрямлячів в колах однофазного струму.

Основні теоретичні положення

Основними елементами випрямлячів змінного струму є: трансформатор, електричний вентиль, фільтр та споживач. Трансформатор використовується для перетворення напруги мережі до необхідної величини а також для розділення кіл постійного і змінного струмів.

Електричний вентиль здійснює перетворення змінної напруги в пульсуючу, де частота пульсації залежить від використання схеми, за якою побудовано випрямляч. Фільтри призначені для згладжування пульсуючого струму, тобто зменшення змінної і підвищення постійної складових.

У колах однофазного струму застосовують такі схеми побудови випрямлячів: однопівперіодна, двопівперіодна з виводом від середньої точки трансформатора, мостова.

Рис. 1

На рис. 1 показана принципова схема однопівперіодного випрямляча з активним навантаженням, а на рис. 2 - криві напруги, що подається, випрямленого струму, а також його складових.

Рис..2

Однопівперіодна схема характеризується тим, що через споживача струм буде проходити тільки протягом однієї половини періоду, тоді як на аноді вентиля потенціал буде позитивним, а на катоді негативним. При зміні знака потенціалу на протилежний струм через вентиль не пройде, бо він має дуже великий зворотний опір. Граничний електричний режим діодів характеризують такі параметри:

Uзв.мак - максимальна зворотна напруга;

Ізв.мак - максимальний прямий струм.

Необхідно враховувати також максимальну частоту діодів. У випадках підвищення цієї частоти діоди втрачають вентильні властивості. Для надійної роботи діодів у випрямлячах потрібне виконання умов Iпр.сер >IН сер і Uзв.макс >- При випрямленні напруги, амплітудне значення якої перевищує Uзв.макс діода, вмикають послідовно декілька однотипних діодів. Пульсуючий випрямлений струм I0 створює на споживачу спад напруги U0 яка називається випрямленою напругою. Для оцінки ефекту випрямлення пульсуючий струм розкладають на його складові: постійну Icep і змінну Im~. Для однопівперіодної схеми випрямлення постійна складова струму буде дорівнювати

Icep=0,45I2                                        (1)

де I2 - діюче (ефективне) значення синусоїдного струму вторинної обмотки трансформатора, яке дорівнює

Що стосується змінної складової випрямленого струму Im~ (рис. 2), то її можна визначити, якщо скористатися значенням коефіцієнта пульсації:

,                                                               (2)

звідки Im~= KПІсер,  де під коефіцієнтом пульсації розуміють величину, яка дорівнює відношенню амплітуди змінної складової випрямленого струму до його постійної складової.

Так як для однопівперіодної схеми KП = 1,57 , то

Im~=1,57І0,7І2                        (3)

Аналогічно записуються вирази для визначення постійної Uсер і Um~ змінної складових випрямленої напруги U0:

Uсер=0,45 U2;                         (4)

Um~0,7 U2;                                                                   (5)

де U2 - діюче значення напруги на вторинній обмотці трансформатора.

Нарешті, щоб повністю охарактеризувати властивості однопівперіодної схеми випрямлення, потрібно визначити максимальне значення зворотної напруги. Як видно зі схеми, вона буде дорівнювати амплітудному значенню напруги на вторинній обмотці трансформатора:

Uзв.макс=1,41 U2;                                    (6)

До позитивних якостей однопівперіодної схеми слід віднести її простоту та можливість використання тільки одного вентиля. Проте істотні недоліки (велика пульсація, невелике значення постійної складової, вимушене намагнічування осердя трансформатора постійною складовою, велика зворотня напруга та ін.) призвели до того, що в наш час схема використовується рідко.

Широко використовується на практиці двопівперіодна схема випрямлення однофазного струму з виводом від середньої точки трансформатора (рис. 3).

Рис. 3

Для схеми характерно те, що випрямлений струм І0 проходить через опір навантаження RН протягом повного періоду. Дійсно, якщо потенціал верхньої точки "а" вторинної обмотки трансформатора буде вищим за потенціал його нижньої точки "b", то буде працювати вентиль VD1, так як струм пройде від точки "а" через вентиль VD1 і Rн до середньої точки 0. При цьому через вентиль VD2 струм пройти не може, так як він буде мати великий зворотний опір. При зміні знаку прикладеної напруги на протилежний, тобто, якщо потенціал нижньої точки "b" буде вище потенціалу верхньої точки "а" працювати буде вентиль VD2. В цьому випадку струм замкнеться в колі так: точка "b", вентиль, споживач, точка 0. Таким чином, через резистор навантаження Rн випрямлений струм пройде як в момент одного, так і в момент другого півперіоду прикладеної напруги, тому схема називається двопівперіодною.

На рис. 4 приведені криві напруги, що подається на вентиль і отриманого випрямленого струму з його складовими: постійною Ісер і змінною Im~. Щоб визначити величину постійної складової випрямленого струму Ісер  для даної схеми, достатньо нагадати, що її величина буде в 2 рази більша за постійну складову для однопівперіодної схеми, так як в двопівперіодній схемі за період одержуємо дві півхвилі, а в однопівперіодній схемі - одну. Таким чином,

Ісер=2·0,45І2=0,9І2                                                                         (7)

 Uсер = 0,9U2                                                                                            (8)

Рис. 4

Для визначення коефіцієнта пульсацій можна використати відому із теорії формулу, застосовану для т1:

Кn =                                                 (9)

де т - число пульсації за період.

Тоді отримаємо:

Кn =                          (10)

Значення Ісер і Кп нам відомі, тепер легко визначити змінну складову

Im~= Кn Ісер= 0,667 ·0,9I2,                                     (11)

U m~ = 0,6U2.                                    (12)

Якщо нехтувати внутрішнім опором вентиля прямому струмові, то величина максимальної зворотної напруги, прикладеної до будь якого із вентилів, буде дорівнювати подвоєному значенню напруги на вторинній обмотці трансформатора, отже

Uзв.т=2Um2=2,82U2.                                 (13)

Порівняно з однопівперіодною дана схема має істотні переваги, до яких слід віднести:

  1.   менша величина пульсацій, більше значення постійної складової, що дозволяє використовувати більш прості фільтри;
  2.   відсутність примусового підмагнічування осердя трансформатора, викликана компенсацією протилежно направлених магнітнихпотоків, які утворені рівними і протилежно направленими випрямленими струмами, які протікають по рівним половинам вторинної обмотки трансформатора;
  3.   краще використання трансформатора, тому що вториннаобмотка працює обидва півперіоди, що значно підвищує коефіцієнт використання первинної обмотки, отже, і всього трансформатора.

Наявність у схемі двох вентилів і трансформатора з виводом від середньої точки дещо ускладнює схему порівняно з однопівперіодною, але згідно з вищезгаданими перевагами вона отримала дуже широке застосування на практиці, особливо в радіотехніці і електроніці.

Широке застосування одержала й інша двопівперіодна схема у колі однофазного струму - однофазна мостова схема випрямлення. У цій схемі застосовуються чотири вентилі, котрі вмикаються по принципу вимірювального моста. До однієї діагоналі такого моста подається змінна напруга від трансформатора, а до другої приєднується споживач (рис. 5).

Рис. 5

Принцип роботи мостової схеми такий. При позитивному потенціалі в точці "а" струм піде через вентиль VD1, резистор споживача, вентиль VD3 до точки "b". При зміні знака потенціалу на протилежний струму буде проходити від точки "b" через вентиль VD2, споживач (у тому ж напрямку), вентиль VD4 до точки "а".

Отже, у кожний півперіод через споживача буде проходити випрямлений струм, який створює випрямлену напругу. Все, що було сказано про фізичні явища, які відбуваються при випрямленні в двопівперіод-ній схемі з виводом від середньої точки трансформатора залишається вірним і для мостової схеми. Проте ця схема має і свої електричні властивості. До переваг мостової схеми у порівнянні з двопівперіодною схемою з нульовою точкою слід віднести:

  1.  удвічі менша напруга на вторинній обмотці трансформатора;
  2.  значно менша зворотна напруга, яка припадає на вентиль, так як завжди працюють два послідовно увімкнутих вентилі;
  3.  краще використання трансформатора, оскільки уся вторинна обмотка працює на протязі кожної половини періоду;
  4.  відпадає необхідність виводу від середньої точки трансформатора;
  5.  можливість використання схеми без трансформатора, якщо число набраних вентилів розраховано на напругу мережі.

Програма роботи

Виконати дослідження на натурній моделі однопівперіодного і дво-півперіодного випрямлячів і фільтрів.

Необхідне обладнання

  1.  Трансформатор - 1шт.
  2.  Діоди - 4шт.
  3.  Котушка індуктивності - 1 шт.
  4.  Амперметр - 2 шт.
  5.  Вольтметр - 2 шт.
  6.  Конденсатор - 2 шт.
  7.  Реостат - 1 шт.
  8.  Вимикач - 5 шт.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати схему згідно рис. 6.

Рис. 6

2. Зняти зовнішню характеристику випрямляча U = f(I) без фільтра, для чого за допомогою змінного резистора навантаження змінюють величину випрямленого струму від нуля до номінального значення. Дані вимірів занести в таблицю 1.

3. Зняти зовнішню характеристику випрямляча з Г-подібним і П-подібним фільтрами.

4. За допомогою осцилографа зняти осцилограми миттєвих значень на вторинній обмотці трансформатора і навантаженні. Осцилограми миттєвих значень напруг зарисувати.

5. Зняти осцилограми миттєвих значень напруги з Г-подібним та П-подібним фільтрами. Осцилограми зарисувати.

6. Визначити коефіцієнт пульсації Кп випрямленої напруги на навантаженні без фільтрів і з фільтрами (Г-подібним та П-подібним).

Для цього необхідно виміряти амплітуду основної гармоніки напруги на навантаженні Um осн. і середнє значення випрямленої напруги на навантаженні UН сер, яке визначається по вольтметру на стенді. Um осн. визначають з осцилограми напруг на навантаженні, знятому без фільтра і з фільтром:

 Um осн = NmU[B],

де N - кількість поділок, які відповідають амплітуді осцилограми;

mU- масштаб напруг осцилограми (вольт/поділка).

Дані вимірів і розрахунків занести в таблицю 2.

7. Визначити частоту пульсації випрямленої напруги на навантаженні без фільтра:

,

де T - період осцилограми; п - кількість поділок відносно періоду осцилограми;

тc - масштаб часу осцилограми (час/поділок).

8. За даними п. 3 побудувати зовнішні характеристики

випрямляча в одній системі координат.

Таблиця 1

№ з/п

Без фільтра

Г- подібний фільтр

П – подібний фільтр

Uн.сер., В

Ін.сер., А

Uн.сер., В

Ін.сер., А

Uн.сер., В

Ін.сер., А

1

2

3

4

5

6

Таблиця 2.

Режим випрямлення

Uт.сер., В

Uн.сер., В

Кn

Без фільтра

Г-подібний фільтр

П-подібний фільтр

Зміст звіту

  1.  Мета роботи.
  2.  Необхідне обладнання.
  3.  Електрична схема кола, що досліджується.
  4.  Таблиці з дослідженнями і розрахунками.
  5.  Графіки зовнішніх характеристик фільтрів і рисунки осцилограм.
  6.  Висновки.

Контрольні запитання

1. Перерахувати основні параметри діодів і пояснити вольт-амперну характеристику діодів.

2. Нарисуйте блок-схему випрямляча і поясніть призначення основних вузлів.

3. Поясніть принцип дії однопівперіодного випрямляча, двопівперіодного випрямляча і мостової схеми випрямляча.

4.Властивості і порівняльні характеристики схем випрямлення (однопівперіодної, двопівперіодної і мостової).

5. Який вигляд має зовнішня характеристика випрямляча і залежність ККД випрямляча від навантаження? 

6. Поясніть, що таке коефіцієнт пульсації і як він визначається для 3-х основних схем випрямлення?

Література

  1.  Васильєва Л.Д.. Напівпровідникові прилади: Підручник. – К: ІВЦ «Видавництво “Політехніка».2003.
  2.  Гершунский Б.С. Основы электроники  и микроэлектроники. – 3-е изд. Перераб. и доп. – К.: Вища шк., 1987.
  3.  Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов /Н. М. Тугов, Б. А. Глебов, Н. А. Чарыков; Под .ред.. В. Ф. Лабунцова. -= М.: Энергоатомиздат, 1990.

PAGE  56


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

26701. Сибирские траппы 1.13 MB
  Отложения нижнего рифея распространены на востоке платформы в КамскоБельском Пачелмском Ладожском Среднерусском и Московском авлакогенах. Местами в нижнем рифее известны вулканогенные породы: горизонты базальтовых пеплов туфов и покровы базальтов а в западных районах платформы в это время внедрялись габбродиабазовые интрузии. Возможно что первоначально эти отложения имели более широкое площадное распространение а позднее они были частично размыты и сохранились лишь в наиболее прогнутых участках платформы. На западе и в...
26702. Региональная геология» («Геология России») Часть 2. Подвижные пояса неогея 2.4 MB
  2009 г Казанский государственный университет 2009 г СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 4 ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ОБСТАНОВКИ В ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ПОДВИЖНЫХ ПОЯСОВ 5 УРАЛОАЗИАТСКИЙ ПОДВИЖНЫЙ ПОЯС 30 Уральская складчатая область 30 ТиманоПечороБаренцевоморская складчатая зона 41 ПайхойскоНовоземельская складчатая зона 46 АлтаеСаянская область 50 СаяноЕнисейская область 59 ТуруханоНорильская зона поднятий 59 Складчатое сооружение Енисейского кряжа 59 Cкладчатое сооружение Восточного Саяна 61...
26703. Региональная геология» (Геология России) Часть 1. Древние платформы 1.32 MB
  Слагающие его каледонские комплексы представленные позднепротерозойскими и раннепалеозойскими отложениями надвинуты в юговосточном направлении на Балтийский щит ВЕП. Об этом свидетельствует в частности наличие в каледонских структурах ряда тектонических окон в которых обнажаются автохтонные раннедокембрийские отложения фундамента ВЕП. На большей части ВЕП он перекрыт платформенным чехлом сложенным горизонтально или пологозалегающими отложениями верхнего протерозоя и фанерозоя общей мощностью от нескольких сотен метров до 510 и...
26704. Материки и океаны являются наиболее крупными элементами в строении Земной коры. Говоря об океанах, следует иметь в виду строение коры в пределах участков, занимаемых океанами 182.5 KB
  Материки и океаны являются наиболее крупными элементами в строении Земной коры. Говоря об океанах следует иметь в виду строение коры в пределах участков занимаемых океанами. Срединноокеанические хребты рассматриваются как участки растяжения земной коры или зоны спрединга. Океани́ческая кора́ тип земной коры распространенный в океанах.
26705. Сибирские траппы 314.5 KB
  Одним из таких фрагментов начиная с рифейского времени и являлась ВЕП в современных ограничениях. Осадочный платформенный чехол мегакомплекс ВЕП подразделяется на два мегаэтажа: авлакогенный нижний и плитный верхний. Формирование названных этажей происходило во временных рамках одноименных авлакогенного и плитного мегаэтапов развития ВЕП В течение рифея и раннего венда большая часть ВЕП сохраняла приподнятое положение подвергалась воздействию процессов денудации и служила источником обломочного материала сносившегося в пределы...
26706. Древние платформы являются устойчивыми глыбами земной коры, сформировавшимися в позднем архее или раннем протерозое 47 KB
  Древние платформы являются устойчивыми глыбами земной коры сформировавшимися в позднем архее или раннем протерозое. Фундамент платформ формировался в течение длительного времени в архее и раннем протерозое и впоследствии подвергся очень сильному размыву и денудации в результате которых вскрылись породы залегавшие раньше на большой глубине. Площадь древних платформ на материках приближается к 40 и для них характерны угловатые очертания с протяженными прямолинейными границами следствием краевых швов глубинных разломов. Складчатые...
26707. Строение земной коры 52.5 KB
  В составе континентальной коры содержащей под осадочным слоем верхний гранитный и нижний базальтовый встречаются наиболее древние породы Земли возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. Твердый слой верхней мантии распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами совместно с земной корой называют литосферой самой жесткой оболочкой Земли. Это внешняя граница ядра Земли. Местами этот слой порождает огромные направленные к поверхности Земли тепломассопотоки плюмы.
26708. Роль и место Европы в современном мире 10.91 KB
  Европейский Союз включает три структурных компонента каждый со своим автономным правопорядком. В научной литературе и нередко в официальных документах эти компоненты именуются опоры Союза. и сохранившиеся после учреждения Союза. Следовательно Европейский Союз как целое имеет в качестве первой опоры две другие организации каждая из которых обладает собственным учредительным договором.
26709. Геополитическая ситуация и баланс сил в Азиатско-Тихоокеанском регионе 13.67 KB
  В этом треугольнике проживает примерно половина населения планеты и находятся многие из ведущих индустриально развитых стран современного мира Япония Китай Австралия Новая Зеландия Тайвань Южная Корея Гонконг Сингапур для которых характерны наиболее быстрые темпы развития экономики. Есть все признаки по формированию Большого Китая или Китайского общего рынка куда войдут Китай Тайвань Сянган Гонконг Аомэнь Макао Сингапур. Китай и Япония превратились в экономические супердержавы превосходящие любую европейскую страну и...