Следовательно, частота пульсации напряжения на нагрузке в мостовой схеме равна удвоенной частоте сети.

Наличие значительных пульсаций выпрямленного напряжения у однофазных выпрямителей ухудшает работу потребителей. Например, при питании двигателей постоянного тока пульсирующим напряжением увеличиваются потери в двигателях. При питании радиоаппаратуры пульсация напряжения ухудшает ее работу, создавая на выходе усилителей фон.

Рис. 6.7. Напряжения на нагрузке однополупериодного однофазного выпрямителя с емкостным фильтром

Для уменьшения пульсации напряжения у потребителя на выходе выпрямителя устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром, основное назначение которого уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, включаемый параллельно приемнику выпрямленного напряжения. При таком включении конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения u₂ в моменты времени, когда напряжение u₂ превышает напряжение на конденсаторе (интервал времени t₁-t₂ на рис. 6.7). В течение интервала времени t₂-t₃, когда напряжение u_c u₂, вентиль закрыт, а конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R_н. С момента времени t₃ процесс повторяется. При включении емкостного фильтра напряжение u_н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.

Рис. 6.8. П-образный фильтр

Большее уменьшение пульсации напряжения обеспечивают Г-образные фильтры, представляющие собой смешанные LC фильтры (рис. 6.8). Уменьшение пульсации LC фильтром объясняется шунтирующим действием конденсатора С_ф для переменной составляющей выпрямленного напряжения и значительным падением этой составляющей напряжения на катушке L_ф, которая называется дросселем. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении резко снижается. Наряду с ослаблением переменной составляющей выпрямленного напряжения LC фильтр незначительно уменьшает и постоянную составляющую. Это происходит за счет падения напряжения на активном сопротивлении катушки. Если один Г-образный фильтр не обеспечивает необходимого уменьшения пульсации, последовательно включают несколько фильтров, например, Г-образный и емкостной фильтры, в совокупности дающие так называемый П-образный фильтр. На рис. 6.8 второй конденсатор П-образного фильтра указан пунктиром.

В реальных выпрямителях с ростом тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя U_ср уменьшается вследствие падений напряжения в активном сопротивлении обмоток трансформатора I∙R_тр и последовательных элементах сглаживающего фильтра I∙R_ф, а также падения напряжения на вентилях U_пр.=I∙R_пр. Нагрузочный ток и напряжение нагрузки U_н связаны между собой следующим выражением:

U_н=U_хх–I∙R_тр.–I∙R_ф–I∙R_пр., (6.16)

где U_хх - напряжение холостого хода выпрямителя. Зависимость U_н= f(I) называется внешней характеристикой выпрямителя и определяет границы изменений тока, при которых выпрямленное напряжение не уменьшается ниже допустимой величины.

6.3. Рабочее задание

1. Технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, занесите в таблицу 6.1. Форма таблицы приведена на странице 3.

2. Используя один из четырех вентилей, имеющихся на панели блока вентилей, соберите цепь, изображенную на рис. 6.9 и предъявите цепь для проверки преподавателю.

Рис. 6.9. Однополупериодная схема выпрямления

3. Элементы фильтра выпрямителя отключите, для этого тумблеры Т₁ и Т₂ разомкните, а тумблер Т₃ - замкните.

4. Автоматическим выключателем АП включите блок питания; при этом должна загореться сигнальная лампа.

5. Подготовьте осциллограф к работе, для чего:

а) шнур питания соедините с разъемом ’’сеть’’, расположенным на задней стенке осциллографа;

б) шнур питания соедините с клеммами, отмеченными знаком ’’~220’’, расположенным на панели блока питания стенда;

в) тумблером ’’сеть’’ включите осциллограф, при этом на передней панели осциллографа должна загореться сигнальная лампа;

г) через 2-3 минуты отрегулируйте яркость и фокусировку линии развертки на экране осциллографа с помощью ручек «Яркость» и «Фокус».

6. Проведите калибровку коэффициента отклонения луча, для чего:

а) тумблер, отмеченный знаком « », « » поставьте в положение « »;

б) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «20 mV/см»;

в) тумблер, отмеченный знаком « », расположенный на правой стенке осциллографа, поставьте в положение « »;

г) подключите соединительный кабель к гнезду, отмеченному знаком «1мΩ50pF»;

д) подключите штекеры соединительного кабеля к гнездам калибровочного напряжения 1В, расположенным на правой стенке осциллографа и отмеченным знаком «1V» (к штекеру с коротким проводом) и знаком «^» (к штекеру с длинным проводом). При этом на экране появится изображение двух горизонтальных линий;

е) ручкой «Усиление» установите расстояние между линиями, равное 5 см;Внимание: ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОЛОМОК, БОЛЬШИХ УСИЛИЙ К РУЧКЕ «УСИЛЕНИЕ» НЕ ПРИЛАГАТЬ!;.

ж) отключите штекеры соединительного кабеля от гнезд калибровочного напряжения 1В;

з) тумблер, отмеченный знаком « » поставьте в положение «–»;

и) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «2 V/см»;

ВЕЛИЧИНА ИЗМЕРЯЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ РАВНА 20 N В.

N-АМПЛИТУДА ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ В САНТИМЕТРАХ.

к) штекеры соединительного кабеля подключите к вентилю.

Таблица 6.2.

Средние значения выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе и амплитудные значения обратного напряжения на вентилях при работе в однополупериодной и двухполупериодной мостовой схемах

ТИП ВЫПРЯМИТЕЛЯ	U, B	Uср,В	Um. обр., В (определятся по осциллографу)	Uср / U	Um.обр/Uср
Однополупериодный
Однополупериодный с емкостным фильтром С1
Однополупериодный с емкостным фильтром С1+С2
Однополупериодный с Г-образным LC фильтром
Однополупериодный с П-образным LC фильтром
Двухполупериодный
Двухполупериодный с емкостным фильтром С1
Двухполупериодный с емкостным фильтром С1+С2
Двухполупериодный с Г-образным LC фильтром
Двухполупериодный с П-образным LC фильтром

7.Замкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда; при этом на панели блока вентилей должна загореться сигнальная лампа.

8.Тумблеры Т₁ и Т₂ разомкните, а тумблер Т₃ замкните.

9. Вольтметром магнитоэлектрической системы измерьте значение выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе U_ср, а осциллографом - амплитудное значение обратного напряжения U_m.обр. на вентиле. Показания приборов занесите в первую строку таблицы 6.2.

10. Замкните тумблер Т₁. Показания приборов занесите во вторую строку таблицы 6.2.

11. Замкните тумблер Т₂. Показания приборов занесите в таблицу 6.2.

12. Разомкните тумблеры Т₁ и Т₃. Показания приборов занесите в таблицу 6.2.

13. Тумблер Т₁ замкните. Показания приборов занесите в таблицу 6.2.

14. Штекеры соединительного кабеля переключите на нагрузочный резистор.

Для всех строк таблицы 6.2. зарисуйте или сфотографируйте осциллограммы выпрямленного напряжения.

15. Разомкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда, при этом на панели блока вентилей должна погаснуть сигнальная лампа.

Рис.6.10. Мостовая схема выпрямления

16. Соберите мостовую схему выпрямителя, изображенную на рис.6.10, и предъявите ее для проверки преподавателю.

17. Выполните пункты 6-14.

18. Выключите блок питания стенда.

Обработка результатов

1. Сравните значения U_ср/U с теоретическими значениями для соответствующих схем выпрямления. Сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину выпрямленного напряжения.

2. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на величину выпрямленного напряжения.

3. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на величину выпрямленного напряжения.

4. Объясните влияние дросселя на величину выпрямленного напряжения при использовании LC фильтров.

5. На основании анализа осциллограмм сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину пульсации выпрямленного напряжения.

6. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на пульсацию выпрямленного напряжения.

7. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на пульсацию выпрямленного напряжения.

8. Сравните измеренные значения обратного напряжения на вентиле и сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления и типа применяемого фильтра на величину обратного напряжения.

9. Сравните теоретические значения допустимого обратного напряжения, вычисленные по формулам (6.8), (6.14), при работе выпрямителей без фильтров со всеми экспериментальными значениями обратного напряжения и дайте рекомендации по выбору вентилей для работы выпрямителей с фильтрами.

10. Дайте мотивированное заключение о предпочтительности одной из исследованных схем выпрямления перед другими.

6.5. Контрольные вопросы

1. Что такое p-n переход?

2. При каком потенциале на p области p-n переход проводит ток?

3. Когда происходит пробой p-n перехода?

4. Почему p-n переход обладает односторонней проводимостью?

5. Зависит ли проводимость p-n перехода от величины приложенного напряжения?

6. Какое включение p-n перехода называется прямым?

7. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении обратного напряжения?

8. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении прямого напряжения?

9. Когда происходит тепловое разрушение p-n перехода?

10. Какими элементами из приведенного ряда Ва, В, Sn, Ga, Sb, In, Mn легируют кремний для получения проводимости типа p?

11. Зависит ли проводимость p-n перехода от полярности приложенного напряжения?

12. Какими элементами из приведенного ряда As, B, P, Ba, Pb, Sb, Mn легируют германий для получения проводимости типа n?

13. При каком потенциале на n области p-n переход проводит ток?

14. Какие носители заряда называются неосновными?

15. Какими носителями обусловлена проводимость кремния типа p?

16. Что такое полупроводниковый диод?

17. Какими носителями обусловлен обратный ток диода?

18. Почему при обратных напряжениях близких к предельно допустимым концентрация неосновных носителей резко увеличивается?

19. Рассчитайте величину среднего выпрямленного напряжения однополупериодного выпрямителя, если напряжение на его входе u=141Sin314 В.

20. Как изменится величина выпрямленного напряжения при включении емкостного фильтра?

21. Как изменится амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения при включении фильтра?

22. Как изменится частота пульсаций выпрямленного напряжения при включении фильтра?

23. Рассчитайте величину среднего выпрямленного напряжения двухполупериодного выпрямителя, если напряжение на его входе u=282Sin314t В.

24. Рассчитайте величину обратного напряжения на диоде однополупериодного выпрямителя, если напряжение на нагрузочном резисторе 100 В.

25. Рассчитайте величину обратного напряжения на диоде мостового выпрямителя, если напряжение на нагрузочном резисторе 100 В.

Лабораторная работа 7