Описание лабораторного стенда

Лабораторная работа № 6а. Исследование источников питания электронных устройств

Цель работы: изучение принципа работы и основных характеристик неуправляемых одно- и двухполупериодных выпрямителей.

Краткие теоретические сведения

Для питания большинства электронных устройств требуется постоянное напряжение, а первичным источником является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. В этих случаях прибегают к выпрямлению переменного напряжения с помощью устройств, называемых выпрямителями.

На рис. 1 представлена функциональная схема однофазного источника пи тания. Основой его является выпрямитель В, выполненный на одном или нескольких диодах, соединенных по одно- или двухполупериодным схемам. Схема также включает трансформатор Тр, согласующий напряжение сети U_С с напряжением U₂ на входе выпрямителя; сглаживающий фильтр Ф для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения U_d; стабилизатор Ст, обеспечивающий поддержание требуемой величины постоянного напряжения U_dН на нагрузочном устройстве R_Н в условиях изменения напряжения сети и тока в R_Н.

 

Работа выпрямителя характеризуется:

- средним значением выпрямленного напряжения U_d и тока I_d (в нагрузке);

- максимальным обратным напряжением U_{m ОБР};

- коэффициентом пульсации P и частотой f_n пульсаций выпрямленного напряжения;

- внешней характеристикой выпрямителя U_d = F(I_d).

Выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя пульсирует. Его можно представить в виде суммы постоянной и переменной составляющих. Постоянную составляющую напряжения (тока) называют средним значением U_d(I_d).

Существуют однополупериодная и двухполупериодная однофазные схемы выпрямления. Однополупериодная схема выпрямления показана на рис. 2а, а временные диаграммы тока i_Н и напряжения u_Н на нагрузочном устройстве R_Н – на рис. 2б.

Рассмотрим работу схемы, считая диод Д идеальным; это означает, что его обратное сопротивление равно бесконечности, а прямое – нулю.

Ток i_Н в нагрузочном резисторе R_Н появляется только в те полупериоды напряжения u₂, когда потенциал точки «a» вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки «b», т.к. в этом режиме диод Д открыт. В этом случае напряжение на диоде практически равно нулю, а на нагрузочном резисторе u_Н = u₂. В отрицательный полупериод u₂ к диоду приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}, ток через него не протекает, а напряжение на нагрузочном резисторе равно нулю. Таким образом, при однополупериодном выпрямлении ток через нагрузочный резистор R_Н протекает только в течение одного полупериода напряжения u₂ и имеет пульсирующий характер.

Наибольшее обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

 

U_{2 m ОБР} = pU_d

 

Большая величина пульсаций, намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока – все эти недостатки ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления.

Двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 3а, а временные диаграммы напряжения u_Н и тока i_Н в нагрузочном резисторе R_Н – на рис. 3б.

Два диода, Д₁ и Д₂, присоединены анодами к концам вторичной обмотке трансформатора «a» и «b», а нагрузочный резистор R_Н включается между общей точкой катодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора. В первый полупериод, когда «a» имеет положительный потенциал относительно средней точки «о», а «b» – отрицательный ток i'₂ протекает от «a» через Д₁ и нагрузочный резистор R_Н к точке «о». К диоду Д₂ в это время приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}. В следующий полупериод «b» имеет положительный, а «a» – отрицательный потенциал относительно точки «о», и ток протекает от «b» через Д₂ и нагрузочный резистор R_Н к точке «о», а к диоду Д₁ приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}. Таким образом, ток через нагрузочный резистор в течение всего периода переменного напряжения u₂ протекает в одном направлении.

Среднее значение выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы в 2 раза превышает соответствующее напряжение для однополупериодной схемы выпрямления, а ток через диоды вдвое меньше, чем в однополупериодной схеме. Однако, обратное напряжение u_{2 ОБР} на закрытых диодах при одинаковых значениях напряжения u₂ = u₂' = u₂'' в два раза превышает величину обратного напряжения однополупериодного выпрямителя. Величина пульсаций меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. Недостатками ее являются необходимость использовать трансформатор с выводом средней точки его вторичной обмотки, большая величина обратного напряжения на диодах.

Широкое применение нашла двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 4а). В этой схеме нагрузочное устройство включено в диагональ моста, составленного из диодов Д₁ – Д₄.

Когда точка «a» имеет положительный потенциал относительно «b», ток i₂ проходит через диод Д₁, нагрузочный резистор R_Н и диод Д₃. К диодам Д₂ и Д₄ приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}. В следующий полупериод, когда «a» имеет отрицательный потенциал относительно «b», ток i₂`` проходит от обмотки трансформатора через диод Д₂, нагрузочный резистор R_Н и диод Д₄. К диодам Д₁ и Д₃ в это время приложено обратное напряжение u_{2 ОБР}.

Таким образом, ток через R_Н в течение периода напряжения u₂ также протекает в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме в 2 раза превышает среднее выпрямленное напряжение для однополупериодного выпрямителя.

Временные диаграммы токов и напряжение для двухполупериодного мостового выпрямителя представлены на рис. 4б. Обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в схеме выпрямителя с выводом средней точки трансформатора: U_{2m ОБР} = pU_d / 2, а величина пульсаций та же.

Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Включается сглаживающий фильтр между выпрямителем и нагрузочным устройством R_Н.

В качестве элементов сглаживающих фильтров применяются индуктивные катушки и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. У индуктивных катушек сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току увеличивается с ростом частоты. У конденсаторов сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты.

Если требуется получить высокий коэффициент сглаживания, то используют сложные сглаживающие фильтры, состоящие из R , L и C элементов.

На рис. 5 представлены два типа применяемых фильтров: а) емкостной; б) П-образный CLC-фильтр; где u₃ - напряжение на выходе выпрямителя без фильтра.

Принцип сглаживания пульсаций с помощью емкостного фильтра заключается в том, что конденсатор С_ф накапливает электрическую энергию, заряжаясь при нарастании напряжения u₃, и отдаёт её, разряжаясь через цепь нагрузочного устройства, при его уменьшении (рис. 6а). При этом важно, чтобы время разряда конденсатора C_ф было значительно больше периода Т изменения напряжения u₃. Последнее выполняется тем лучше, чем постоян­ная времени разряда конденсатора τ_разр = R_нC_ф больше пе­риода Т изменения напряжения u₃. Емкостные фильтры нашли широкое применение в маломощных источниках питания, когда соп­ротивление R_н нагрузочного устройства велико.

Принцип сглаживания с помощью индуктивности состоит в том, что в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изме­нениям тока в цепи. Таким образом, представляя большое сопро­тивление для переменного тока, индуктивный элемент уменьшает переменную составляющую тока в нагрузочном устройстве.

На рис. 6 показаны осциллограммы напряжений на активном сопротивлении нагрузочного устройства двухполупериодного вып­рямителя при включённом емкостном (рис. 6а) и CLC-фильтрах (рис. 6б).

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависи­мость среднего значении выпрямленного напряжения U_d от сред­него значения потребляемого тока I_d в нагрузочном устройстве.

Поскольку реальные трансформаторы, диоды и индуктивности име­ют конечные величины внутренних сопротивлений, то с увеличе­нием потребляемого тока I_d напряжение на выходе выпрямителя уменьшается за счёт потерь напряжения в схеме. Наклон внешней характеристики зависит также и от типа фильтра (рис. 7). Вып­рямленное напряжение выпрямителя с емкостным или П-образным CLC-фильтрами в режиме холостого хода (I_d = 0) равно амп­литудному значению выпрямляемого напряжения U_3m, до которого заряжается ёмкость фильтра, а выпрямителя без фильтра – сред­нему значению этого напряжения. Однако, уменьшение выпрямлен­ного напряжения в выпрямителях с фильтрами происходит более резко, чем при отсутствии фильтра.

Это объясняется тем, что с уменьшением сопротивле­ния нагрузочного устрой­ства, вызывающим увеличе­ние потребляемого тока, уменьшается постоянная времени цепи разряда кон­денсатора фильтра и уве­личиваются потери напряжения на собственных активных сопротивлениях индуктивного элемента, что приводит к снижению напряжения на нагрузочном устройстве.

Описание лабораторного стенда

На передней панели лабораторного стенда размещена электрическая схема исследуемого источника питания (рис. 8) с разъёмами для подключения сменных плат блока выпрямителей (БВ) и блока фильтров (ВФ). Комплект сменных плат блока выпрямителей (рис.9) включает:

- плату БВ1 – однополупериодный выпрямитель;

- плату БВ2 – двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора;

- плату БВ3 - мостовой вып­рямитель.

Назначение переключателей и тумблеров.

В8 – предназначен для включения в схему выпрямителя блока фильтров (БФ).

Верхнее положение В8 – блок фильтров БФ отключён из схемы выпрямления.

Нижнее, положение В8 – блок фильтров БФ подключён между выпрямителем и нагрузкой.

В10 – предназначен для включения нагрузки на выходе выпрямителя.

Верхнее положение – нагрузка подключена.

Нижнее положение – режим холостого хода (х.х.).

В4, В6 (на рис. 8 не показаны) – предназначены для изменения величины ёмкости в C или CLC‑фильтрах.

Верхнее положение соответствует меньшей ёмкости.

Среднее положение – ёмкость отключается.

Нижнее положение – большая ёмкость.

Потенциометр R_н – регулирует величину нагрузочного сопротивления.

Крайнее левое положение потенциометра соответствует максимальному сопротивлению нагрузки (R_max).

Среднее положение соответствует обозначению R_ном.

Крайнее правое положение соответствует минимальному значению сопротивления нагрузки (R_min).

На гнёзда 3 и 4 выведены концы выпрямительного устройства. К ним подключается осциллограф для исследования формы выходного напряжения.

Вольтметр V1 – вмонтирован в стенде (в левом верхнем углу). Предназначен для измерения выходного напряжения выпрямительного устройства.

Амперметр – вмонтирован в стенде (в правом верхнем углу). Предназначен для измерения тока в нагрузке.

Указание: Для исследования однополупериодной и двухполупериодных схем выпрямителей поочередно вставлять сменные платы выпрямителей БВ1 - БВ3.

При исследовании выпрямителей плату с фильтром БФ1 не менять! Тип исследуемого фильтра и его отключение осуществляется с помощью переключателей В4, В6 и В8.

Питание стенда включается тумблером «сеть».

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со стендом в соответствии с описанием.

2. Подготовить стенд к работе. Установить плату БВ1 в разъём блока выпрямителей и плату ВФ1 в разъем блока фильтров, к гнёздам «3» и «4» подключить осциллограф. Переключатели В4, В6 установить в среднее положение (ёмкости отключены), В10 – в нижнее (холостой ход), В8 – в верхнее (фильтр LC отключён) остальные – в нижнее положение.

3. Исследование выпрямителей без фильтра.

a) схема однополупериодного выпрямления исследуется на плате выпрямителя БВ1. Включить питание стенда и осциллограф, получив устойчивое изображение сигнала. Зарисовать на рис. 3а на бланке лабораторных работ осциллограмму выходного напряжения выпрямителя. Вольтметром V1 измерить и записать в журнале величину U_d. Выключить стенд.

б) схема двухполупериодного выпрямления со средней точкой.

Повторить, исследование по п. а), предварительно сменив плату выпрямителя на БВ2 (вместо БВ1), зарисовать осциллограмму выходного напряжения выпрямителя на рис. 3б на бланке лабораторных работ;

в) схема двухполупериодного мостового выпрямления.

Повторить исследование по п.а), сменив плату выпрямителя на БВ3, зарисовать осциллограмму выходного напряжения выпрямителя на рис. 3в на бланке лабораторных работ.

4. Исследование внешних характеристик двухполупериодного мостового выпрямителя.

а) Снять внешнюю характеристику выпрямителя без фильтра.

Для этого оставить плату БВ3. Включить стенд. Измерить значение тока в цепи нагрузки н напряжения на выходе выпрямителя в четырёх режимах:

- в режиме холостого хода (В10 вниз);

- при трёх различных значениях нагрузки (В10 вверх, потен­циометр R_н последовательно в трёх положениях: R_max, R_nom, R_min).

Результаты измерений записать в таблицу 1 журнала лабораторных работ.

б) Снять внешнюю характеристику выпрямителя БВ3 с С-фильтром.

Повторить измерения по п. а), предварительно включив ёмкость на выход выпрямителя (переключатель В4 поставить в верхнее положение).

в) Снять внешнюю характеристику выпрямителя БВ3 с CLC-фильтром.

Предварительно включить в схему исследования CLC-фильтр (переключатель В4 оставить в верхнем положении, переключатель В8 установить в нижнее положение, В6 – в верхнее).

Повторить измерения по п. а). Выключить стенд.

5. Исследование формы выходного напряжения мостового вып­рямителя без фильтра, с С-фильтром и СLС-фильтром.

Оставить платы БВ3 и БФ1.

Включить стенд.

а) Убедиться, что форма выходного напряжения выпрямителя без фильтра соответствует пунктиру на рис. 4 в бланке лабораторных работ. Положение переключателей: В8, В10 – вверх, В4, В6 – в среднем положении;

б) Зарисовать на рис. 4 бланка (верхняя часть) форму выходного напряжения выпрямителя с С-фильтром в нагрузочном режиме. Положение переключателей: В8 – вверх, В10 – вверх, В4 – вверх, В6 – в среднем положении;

в) Зарисовать на рис. 4 бланка (нижняя часть) форму выходного напряжения выпрямителя с CLC-фильтром в нагрузочном режиме. Положение переключателей: В8 – вниз, В10 – вверх, В4, В6 – вверх.

6. Выключить питание стенда и осциллографа. Разобрать схему.

По данным таблицы 1 на рис. 2 бланка построить внешние характеристики двухполупериодного мостового выпрямителя.

Литература

1. Герасимов В.Г. и др. «Основы промышленной электроники», М.; «Высшая школа», 1986.

2. Забродин Ю.С. «Промышленная электроника» М.; «Высшая школа», 1982.

Контрольные вопросы

1. Назначение выпрямителей. Какими параметрами характе­ризуются выпрямители?

2. Какие достоинства и недостатки схем выпрямителей: однополупериодного? Двухполупериодного со средней точкой? Мостового?

3. Назначение фильтров. За счёт каких свойств С и L осу­ществляется сглаживание пульсаций напряжения фильтрами?

4. Внешние характеристики выпрямителей. Почему уменьша­ется напряжение выпрямителя при увеличении тока потребителя?

5. Выпрямители с какими фильтрами имеют наименьшие пуль­сации? Почему?

Студент				Группа		Выполнено
Курс						Сдано

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 691; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!