Лабораторная работа «Емкостной фильтр на выходе выпрямителя»

Емкостной фильтр на выходе выпрямителя

Цель работы:

• Исследование влияния конденсатора на форму выходного напряжения однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей.
• Измерение частоты выходного напряжения выпрямителя с емкостным фильтром.
• Исследование влияния величины емкости конденсатора фильтра на среднее значение выходного напряжения.

• Сравнение среднего значения выходного напряжения для однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей с емкостным фильтром.

Приборы и элементы:

Мультиметр

Осциллограф

Источник переменного напряжения

Трансформаторы

Диоды IN4001

Резисторы

Конденсаторы

Краткие сведения из теории:

Если включить на выход любого из выпрямителей, рассмотренных в лабораторных работах 1 и 2 ,конденсатор, то переменная составляющая выходного напряжения будет ослаблена. Среднее значение выходного напряжения Ud выпрямителя с емкостным фильтром может быть приближенно оценено из соотношения:

.                                     (4.6),

где U2max и U2min — максимум и минимум выходного напряжения,

Для оценки качества фильтра обычно используют коэффициент пульсации q выходного напряжения, который вычисляется из соотношения:

(4.7)

На рисунках 4.7 и 4.8 показаны соответственно однополупериодный и двухполупериодный выпрямители с емкостным фильтром на выходе.

3.3 Фильтры

Допустимые пульсации на выходе источников питания зависят от характера нагрузки и могут составлять от тысячных долей процента (первые каскады микрофонных усилителей) до единиц и десятков процентов (исполнительные устройства). Для уменьшения пульсации используются дополнительные фильтры.

Г-образный индуктивно-емкостный (LC) фильтр, представленный на рисунке А.7а) в приложении А, применяется в источниках средней и большой мощности вследствие того, что падение напряжения на фильтре можно сделать сравнительно малым и тем самым обеспечить более высокий КПД.

Недостатки LC-фильтров:

• сравнительно большие размеры и вес (при низкой частоте первичного источника);
• дроссель фильтра является источником помех, создаваемых магнитнымполем рассеяния;
• дроссель фильтра иногда является причиной сложных переходных процессов, приводящих к искажениям в работе устройств (усилителя, передатчика и т.п.);
• фильтр не устраняет медленных изменений питающих напряжений.

Произведение LC (Гн-мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания К, (отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе) и определяется по формуле:

где Fc — частота выпрямляемого тока (Гц); m —количество фаз. Для однополупериод-ной схемы m=1, для двухполупериодной и мостовой, а также для параллельной схемы удвоения m=2.

Для двухполупериодной или мостовой схемы при частоте сети 50 Гц

Величины L и С должны быть выбраны так, чтобы выполнялось условие

Если произведение LC больше 200…250, то фильтр следует делать двухзвенным, причем второе звено можно выполнить по схеме ЕС-фильтра.

Г-образный реостатно-емкостный фильтр (приложение А, рис. А.7, б) целесообразно применять при малых выпрямленных токах (менее 15… 20 мА) и небольших значениях коэффициента сглаживания. Такой фильтр является достаточно дешевым, имеет малые размеры и вес. Его недостатком является малый КПД из-за большого падения выпрямленного напряжения на сопротивлении фильтра. Произведение ЕС (Ом-мкФ) определяется по формуле:

.

Сопротивление Е выбирается из условия допустимого падения выпрямленного напряжения на фильтре.

Фильтр с полупроводниковым триодом показан на рисунке А.8 в приложении А. Принцип его действия основан на том, что для переменной составляющей пульсирующего тока транзистор представляет сравнительно большое сопротивление, а для постоянного тока его сопротивление намного меньше. Транзистор включен последовательно с нагрузкой. Цепочка Е1, С1 обеспечивает постоянство тока эмиттера при кратковременных изменениях тока нагрузки и должна иметь большую постоянную времени. Сопротивлением Е2 устанавливается режим транзистора по постоянному току. Транзистор выбирается так, чтобы ток нагрузки фильтра был не менее, чем в 2 раза меньше максимального допустимого тока коллектора. Наибольшее напряжение между коллектором и эмиттером, которое может возникнуть в момент включения выпрямителя, не должно превышать максимально допустимого напряжения на коллекторе. Мощность рассеяния на триоде также не должна превышать допустимой. Сопротивление резистора Е1 выбирается в пределах 80… 100 Ом, Е2 — порядка десятков кОм. Емкость конденсатора определяется по формуле:

Эта лабораторная работа предусматривает проведение четырех экспериментов с электрическими схемами. Рассмотрим порядок следования и выполнения этих этапов.

Эксперимент 1. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя.

• В программе EWB соберите схему, представленную на рисунке 4.7. На вход А осциллографа подается входное напряжение, а на вход В — выходное. Измерьте максимум выходного напряжения U2max и разность между максимумом и минимумом выходного напряжения . Зарисуйте осциллограммы в раздел «Результаты экспериментов».
• Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud по результатам измерении. Результат запишите в раздел «Результаты экспериментов».
• Запишите постоянную составляющую выходного напряжения по показаниям мультиметра. Сравните значения, полученные обоими методами.
• Вычислите коэффициент пульсации выходного сигнала по формуле (4.7).

Эксперимент 2. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя при изменении емкости фильтра.

• Отключите мультиметр в схеме однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром. Установите емкость конденсатора равной 100 мкф. Включите схему. Измерьте максимум выходного напряжения и разность между максимумом и минимумом напряжений на выходе выпрямителя по показаниям осциллографа. Результат запишите в раздел «Результаты экспериментов».
• Вычислите среднее значение напряжения Ud по формуле (4.6).
• Вычислите коэффициент пульсации выходного напряжения по формуле (4.7).

Рисунок 4.7 Однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром

Рисунок 4.8 Двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром

Эксперимент 3. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя при изменении тока нагрузки.

• Установите емкость конденсатора в схеме однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром равной 470 мкф. Измените сопротивление резистора нагрузки до 200 Ом. Включите схему. Измерьте максимум выходного напряжения и разность между максимумом и минимумом напряжений на выходе выпрямителя по показаниям осциллографа. Результат запишите в раздел «Результаты экспериментов».
• Вычислите среднее значение напряжения Ud по формуле (4.6).
• Вычислите коэффициент пульсации выходного напряжения по формуле (4.7).

Эксперимент 4. Определение коэффициента пульсации двухполупериодного выпрямителя.

• В программе EWB соберите схему, представленную на рисунке 4.7. На вход А осциллографа подается входное напряжение, а на вход В — выходное. Измерьте максимум выходного напряжения U2max и разность между максимумом и минимумом выходного напряжения . Зарисуйте осциллограммы в раздел «Результаты экспериментов».
• Вычислите среднее значение напряжения Ud по формуле (4.6).
• Вычислите коэффициент пульсации выходного напряжения по формуле (4.7).

Результаты эксперименты экспериментов приводятся на рис. 4.9

Эксперимент 1 Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя

Эксперимент 2. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя при изменении емкости фильтра.

Эксперимент 3. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя при изменении тока нагрузки.

Эксперимент 4. Определение коэффициента пульсации двухполупериодного выпрямителя по осциллограмме выходного напряжения.

Вопросы

• Выведите формулу для расчета среднего значения выходного напряжения выпрямителя с емкостным фильтром на выходе.
• В каком диапазоне напряжений может изменяться среднее значение выходного напряжения выпрямителя с емкостным фильтром на выходе?
• Какие факторы влияют на величину коэффициента пульсации выпрямителя семкостным фильтром на выходе?
• Сравните средние значения выходного напряжения для схем однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей с емкостным фильтром на выходе при одинаковых нагрузках.
• Сравните коэффициент пульсации в однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях с емкостным фильтром на выходе.
• Будут ли отличаться средние значения выходного напряжения
  однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямления с емкостным фильтром, если сопротивление нагрузки равно бесконечности?
• Будет ли влиять частота входного напряжения выпрямителя на среднее значение выходного напряжения и на коэффициент пульсации при фиксированных значениях емкости фильтра и сопротивления нагрузки?

Рисунок 4.9 Форма предоставления результатов лабораторной работы.