Исследование однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром
Цель работы: исследование однополупериодного выпрямителя и сглаживающего RC-фильтра.
Краткие теоретические сведения. Выпрямителями называют устройства, служащие для преобразования переменных напряжений и токов в постоянные, используемые для питания радиоэлектронной аппаратуры. Обобщенная структурная схема выпрямительного устройства представлена на рис. 4.1. Переменное напряжение сети поступает на первичную обмотку трансформатора Т, с вторичной обмотки которого напряжение подается на блок вентилей В. Выпрямленное пульсирующее напряжение сглаживается фильтром Ф и поступает на стабилизатор напряжения СН, обеспечивающий постоянство выходного напряжения. Постоянное напряжение используется для питания электронного устройства, эквивалентно представленного резистором нагрузки RН. Основу выпрямителя составляет вентильный блок, который строится в маломощных выпрямителях с применением выпрямительных диодов.Другие блоки в выпрямительном устройстве могут отсутствовать в зависимостиот условий применения.
Рис. 4.1.Обобщенная структурная схема выпрямительного устройства
Для упрощения анализа выпрямителей диоды считают идеальными вентильными элементами, обладающими резко выраженной несимметричной ВАХ (рис.4.2а) и односторонней проводимостью. При U>0 (прямое включение) сопротивление вентильного элемента равно нулю при U<0(обратное включение) равно бесконечности.
Схема простейшего однополупериодного выпрямителя представлена на рис.4.2б.
а) б) в)
Рис. 4.2. ВАХ идеального диода (а), схема простейшего выпрямителя (б)и графики напряжения и тока (в)
При напряжении питания вентильный элемент обеспечивает протекание тока i2 в нагрузке RН только в положительном направлении (рис.4.2в).
Постоянная составляющая U2- однополупериодного напряжения на сопротивлении нагрузки равна среднему значению напряжения u2(t) за период:
.
Действующее значение U2 однополупериодного напряжения на сопротивлении нагрузки равно его среднеквадратическому значению
.
Ток, протекающий в сопротивлении нагрузки, определяется по Закону Ома .
Активная мощность Р, выделяющаяся в сопротивлении нагрузки
.
Коэффициент пульсаций КП равен отношению амплитуды первой гармоники выпрямленного тока к его постоянной составляющей. Поскольку разложение в ряд Фурье однополупериодного выпрямленного тока имеет вид
, то .
Большим недостатком однополупериодного выпрямителя являются большие пульсации тока и напряжения на нагрузке. Для уменьшения этих пульсаций применяются сглаживающие фильтры. В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько кОм, хороший результат дает применение Г-образных RC-фильтров (рис.4.3).
Рис.4.3. Однополупериодный выпрямитель со слаживающим фильтром
При выборе XCФ << RФ на резисторе RФ создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих тока, чем на резисторе RН. Если выбрать значение RФ из соотношения , то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе RФ будет минимальным. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе RН значительно уменьшится. Коэффициент сглаживания для Г-образного RC-фильтра определяется из выражения .
Рис.4.4. Схема исследуемой цепи
Рабочее задание
1.Подготовьте к работе исследуемую цепь. Для этого
а) познакомьтесь со схемой исследуемой цепи (рис.4.4);
б) соберите исследуемую цепь.
2. При разомкнутом ключе К (без сглаживающего фильтра) подайте на вход выпрямителя переменное напряжение U1, с величиной и частотой, указанными преподавателем.
3. Включите осциллограф последовательно в точки A,D; B,D и C,D.
Зарисуйте наблюдаемые процессы с соблюдением масштаба.
4. Те же измерения проделайте при замкнутом ключе К (включенном сглаживающим фильтре).
5.Дайте подробные объяснения полученным результатам.
Контрольные вопросы
1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах диодов.
2.Что такое идеальный вентильный элемент?
3.Как работает однополупериодный выпрямитель?
4.Какими основными параметрами характеризуются выпрямители?
5. Для чего применяется и как работает сглаживающий RС-фильтр?
Лабораторная работа № 5