Лабораторная «Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители…

1 Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители

Цель:

• Анализ процессов в схемах однополупериодного и вухполупериодного выпрямителей.
• Сравнение форм входного и выходного напряжения для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
• Определение среднего значения выходного напряжения (постоянной составляющей) в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
• Определение частоты выходного сигнала в схемах однополупериодного выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора.
• Сравнение максимальных значений выходного напряжения для схем двухполупериодного и однополупериодного выпрямителей.
• Сравнение частот выходного сигнала для схем двухполупериодного и однополупериодного выпрямителей.
• Анализ обратного напряжения Umax на диоде в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
• Исследование работы трансформатора в схеме выпрямителя.

Приборы и элементы

Мультттетр

Осциллограф

Истопник переменного напряжения

Трансформаторы    i

Кремниевые диоды 1N40Q1

Резисторы

Краткие сведения из теории:

Среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) однополупериодого выпрямителя (рисунок 4.1) вычисляется по формуле:

.                                                        (4.1)

Значение Ud двухполупериодного выпрямителя (рисунок 4.2) вдвое больше:

(4.2)

Частота выходного сигнала f для схемы с однополупериодным или двухполупериодным выпрямителем вычисляется как величина, обратная периоду выходного сигнала:

.

При этом период сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного. Максимальное обратное напряжение на диоде однополупериодного выпрямителя равно максимуму входного напряжения. Максимальное обратное напряжение Umax на каждом диоде двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора равно разности удвоенного максимального значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2m и прямого падения напряжения на диоде Unp:

.

Рисунок 4.1 Однополупериодный выпрямитель

Рисунок 4.2 Двухполупериодный выпрямитель

1. Выпрямители. Схемы выпрямления

Выпрямительным устройством или выпрямителем называют статический преобразователь переменного тока в постоянный. Выпрямитель (рис. 1) состоит из трансформатора Т, схемы вы­прямления В и сглаживающего фильтра Ф. Помимо преобра­зования входного напряжения переменного тока, трансформатор устраняет гальваническую связь между источником переменного тока и питаемой аппаратурой. В отдельных случаях он преобразует число фаз исходного напряжения. Схема выпрямления, состоящая из вентиля или группы вентилей, преобразует переменный ток в постоянный. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсацию вы­прямленного напряжения до допустимого значения.

Рис.1 Схема выпрямительного устройства

Схемы выпрямления с вентилями являются единственным элементом, без которого выпрямитель не может преобразовать переменный ток. В современных выпрямительных устройствах в качестве вентилей используют полупроводниковые неуправляемые вентили (выпрямительные диоды) и управляемые вентили (тиристоры).

Выпрямительным диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, обладающий свойством скачкообразно изменять проводимость в зависимости от поляр­ности приложенного напряжения. Тиристор имеет четырехслойную структуру р₁ – п₁ – р₂ – п₂ и три перехода, что позволяет управлять проводимостью.

Схемы выпрямления классифи­цируют:

1) по типу применяемых вентилей — газоразряд­ные, полупроводниковые с управляемыми и неуправляемыми вен­тилями;

2) числу фаз напряжения питающей сети — одно- и трехфазные;

3) числу фаз напряжения вторичной обмотки трансформатора – одно-, двух-, трех-, шести- и многофазные;

4) числу используемых полу­периодов напряжения – одно- и двухполупериодные;

Принцип работы схем выпрямления

1. Однофазная однополупериодная схема (рис. 3.9). Данная схема наиболее простая из всех схем выпрямления. При появлении по­ложительного потенциала на конце вторичной обмотки трансфор­матора, диод открывается, и ток проходит через нагрузку R_H. При появлении отрицательного потенциала диод закрыт, и ток в нагрузке отсутствует. Так как сопротивление обмоток трансформатора и диода в прямом на­правлении принято равным нулю, то во время положительного полупериода напряжение на нагрузке равно напряжению на вто­ричной обмотке и₀ = и₂. Во время отрицательного полупериода сопротивление диода принято равным бесконечности, ток в на­грузке отсутствует и напряжение на ее зажимах равно нулю. Через диод и вторичную обмотку трансформатора протекает тот же ток, что и через нагрузку. Поэтому вторичную обмотку используют неэффективно, так как ток через нее проходит только в течение одной половины периода.

В однофазной однополупериодной схеме имеется вынужденное намагничивание сердечника трансформатора, создаваемое постоян­ной составляющей тока вторичной обмотки трансформатора. Вынужденное намагничивание сердечника трансформатора относится к специфическим особенностям его работы в выпрямительных схемах и обусловлено тем, что токи во вторичных обмотках протекают только в одном направлении. Поэтому сердечник намагничивается не только переменной, но и постоянной составляющими тока вторичной обмотки. В результате этого кривая намагничивания теряет симметричность, так как одна ветвь заходит в область большего насыщения. Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости сердечника, уменьшению индуктивности обмоток и увеличению тока холостого хода. Повышение тока холостого хода и рост потерь на гистерезис являются причиной дополнительных потерь, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы сердечников трансформаторов.

Основным преимуществом однополупериодной схемы является ее простота. К недостаткам схемы относятся: увеличенные га­баритные размеры и масса сердечника вследствие плохого ис­пользования обмоток и наличия вынужденного намагничивания сердечника: значительные обратные напряжения и ток, проходящий через диод; большая переменная составляющая напряжения и низ­кая частота пульсаций, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы фильтра. Данную схему используют в мало­мощных выпрямителях с большим сопротивлением нагрузки.

2. Однофазная двухполупериодная схема (рис. 3.10, а). Эта схема может быть представлена как две однополупериодные схемы, ра­ботающие на общую нагрузку. При появлении положительного потенциала на конце одной из половин вторичной обмотки транс­форматора Т открывается соответствующий диод и ток проходит через нагрузку R_н. При изменении полярности на вторичной обмотке открывается другой диод, и ток вновь проходит через нагрузку. Таким образом, ток в нагрузке всегда протекает в одном направлении, т.е. имеет место выпрямление.

Напряжения и’₂ и и»_г (рис. 3.10,6) сдвинуты по фазе на половину периода, поэтому по числу фаз вторичной обмотки схема является двухфазной. В нагрузке ток протекает в течение обоих полупе­риодов напряжения на вторичной обмотке, поэтому выпрямление двухполупериодное (рис. 3.10, в).

Диоды VD1 и VD2 работают поочередно, каждый в течение одной половины периода (рис. 3.10, г и д). Так как токи протекают по каждой половине вторичной обмотки трансформатора пооче­редно и имеют противоположные направления, то в первичной обмотке трансформатора протекает ток, форма которого синусои­дальна (рис. 3.10, е).

Вынужденное намагничивание сердечника трансформатора от­сутствует, так как потоки, создаваемые постоянными составляю­щими тока в половинах вторичной обмотки, компенсируют друг друга.

По сравнению с однофазной однополупериодной схемой вы­прямления данная схема имеет трансформатор с меньшими габа­ритными размерами и массой вследствие лучшего использования обмоток трансформатора и отсутствия вынужденного намагничи­вания; меньшие габаритные размеры и массу фильтра из-за увеличения частоты пульсации; амплитудный ток диода умень­шается в 2 раза.

Недостатком схемы является необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора. Схема может быть использована в выпрямителях с низким напряжением и значитель­ным током нагрузки. Включение одного диода в цепь тока нагрузки обеспечивает малые потери в выпрямителе.

3. Однофазная мостовая схема (рис. 3.12, а). Двухполупериодное выпрямление может быть также осуществлено при помощи одно­фазной мостовой схемы выпрямления или схемы Греца. При появ­лении положительного полупериода напряжения на концах вторичной обмотки транс­форматора Т открываются два диода (VD2, VD3), и ток проходит через на­грузку R_Н. При изменении полярности напряжения на вторичной обмотке открываются другие два диода (VD1, VD4), и ток вновь проходит через нагрузку в том же направлении.

Ток через нагрузку проходит в течение обоих полупериодов напряжения на вторичной обмотке в одном направлении — выпрямление двухполупериодное.

Ток во вторичной обмотке синусоидальный и протекает в течение обоих полупериодов, поэтому вынужденное намагничи­вание сердечника отсутствует. Ток в первичной обмотке транс­форматора также синусоидальный.

По срав­нению с однофазной двухполупериодной схемой выпрямления дан­ная схема имеет следующие преимущества: вследствие лучшего использования обмоток трансформатора его габаритные размеры и масса меньше; не требуется специального вывода от средней точки вторичной обмотки; напряжение на вторичной обмотке и обратное напряжение на диоде в 2 раза меньше. Эти две схемы имеют одинаковые амплитуду и частоту пульсации, а также вы­нужденное подмагничивание.

Схему широко используют в выпрямителях малой мощности (до 1 кВт). Для более мощных применение нежелательно вследствие возможности перегрузки какой-либо фазы трехфазной сети пере­менного тока.

Дальнейшее повышение качества работы схем выпрямления может достигаться увеличением числа фаз питающего тока. Кроме рассмотренных часто применяются трехфазная однополупериодная схема и трехфазная мостовая схема.

При сравнении пяти основных схем выпрямления по главным показателям (типовой мощности трансформатора и коэффициенту пульсаций выпрямленного напряжения) наибольшее преимущество имеет трехфазная мостовая схема, несмотря на наибольшее число вентилей.

II Порядок проведения экспериментов.

Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжения однополупериодного выпрямителя.

• Соберите и включите схему (рисунок 4.1). На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В — входной. Зарисуйте осциллограммы в разделе «Результаты экспериментов». Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.
• Измерьте период Т выходного напряжения по осциллограмме и запишите результат в раздел «Результаты экспериментов». Вычислите частоту выходного сигнала.
• Определите максимальное обратное напряжение Umax на диоде и запишите в раздел «Результаты экспериментов».
• Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком к холостому ходу. Запишите результат в раздел «Результаты экспериментов».
• Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая). Результат запишите в раздел «Результаты экспериментов». Запишите постоянную составляющую напряжения на выходе, измеренную мультиметром.

Эксперимент 2. Исследование входного и выходного напряжении двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора.

• Соберите схему двухполупериодного выпрямителя (рисунок 4.2). На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В — входной. Зарисуйте полученные осциллограммы в разделе «Результаты экспериментов». Измерьте изапишите максимальные входные и выходные напряжения.
• Измерьте период Т по осциллограмме выходного напряжения и запишитерезультат в раздел «Результаты экспериментов». Вычислите частоту выходного сигнала.
• По осциллограмме выходного напряжения, определите максимальное обратное напряжение Umax на диоде. Запишите результат в раздел «Результаты экспериментов».
• Вычислите среднее значение Ud выходного напряжения (постоянная составляющая) Запишите результат в раздел «Результаты экспериментов». Запишите постоянную составляющую напряжения на выходе, измеренную мультиметром.

Результаты экспериментов представляются в виде осциллограмм и таблиц значений, представленных на рисунке 4.3.

Эксперимент 2. Исследование входного и выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора. Работа выполняется аналогично и ее результаты предоставляются на бланке, представленном на рисунке 4.4.

а)

Рисунок 4.3 Результаты эксперимента 1

а)

Рисунок 4.4 Результаты эксперимента 2

Вопросы к лабораторной работе:

• Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?
• Одинаковы ли вычисленное и измеренное мультиметром среднее значение
• выходного напряжения Ud?
• Одинаковы ли частоты входного и выходного сигналов в схемах одно- и двухполупериодного выпрямителей?
• Как влияет падение напряжения на диоде на выходное напряжение выпрямителя?
• Превышает ли максимальное отрицательное напряжение Umax на диоде значение, предельно допустимое для диода 1 N4001?
• Зачем необходимы трансформаторы в схемах выпрямителей?
• Каковы различия между сигналом на входе и на выходе при двухполупериодном выпрямлении?
• Чем отличается выходное напряжение в схемах однополупериодного и двухполупери-одных выпрямителей?
• Сравните максимальное обратное напряжение на диодах в однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях.
• Одинаковы ли частоты входного и выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя? Как они соотносятся с частотами входного и выходного напряжения для однополупериодного выпрямителя