После проведения всех экспериментов оформить отчет и сделать выводы.

СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ИМ. А.А. УГАРОВА

(филиал) федерального государственного автономного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Кафедра АИСУ

Уварова Л.В.

ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ

для студентов направления

140400 (13.03.02) – Электроэнергетика и электротехника

(для всех форм обучения)

Одобрено редакционно-издательским советом института

Старый Оскол

УДК 621.38

ББК 32.85

У18

Рецензент: Зам. Начальник СПЦ №1 по электрооборудованию Н.В. Гайдай.

Уварова Л.В. Основы преобразовательной электроники. Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ.– Старый Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2015. – 50 с.

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ по курсу «Основы преобразовательной электроники», для студентов направления 140400 (13.03.02) – «Электроэнергетика и электротехника», для всех форм обучения.

Уварова Л.В.

© СТИ НИТУ «МИСиС»

Содержание

Предисловие. 6

1. Общие сведения. 7

2. Основные правила техники безопасности при работе на лабораторном стенде «Электроника». 10

3. Инструкция по работе с электронным осциллографом С1– 68. 11

Органы управления С1-68. 11

Порядок работы с осциллографом С1-68. 13

Измерение временных интервалов. 16

Измерение амплитуды исследуемых сигналов. 16

4. Содержание отчёта к лабораторной работе. 17

Лабораторная работа №1 Иследование полупроводниковых выпрямителей c использованием пакета ELECTRONICS WORKBENCH EWB.. 17

1. Цель работы.. 17

2. Теоретическое введение. 17

2.1 Классификация выпрямителей. 17

2.2 Однофазные и трехфазные выпрямители. 18

3. Описание работы.. 25

4. Порядок выполнения лабораторной работы.. 26

5. Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя. 26

6. Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя. 28

7. Обработка результатов. 31

Контрольные вопросы.. 31

Лабораторная работа №2 Исследование выпрямителей с использованием лабораторного стенда «Электроника». 31

Порядок выполнения лабораторной работы.. 31

Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя без фильтра (см. стр.6, рис. 2). 31

Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя с C-фильтром 32

Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя с RC-фильтром 33

Исследование однофазного мостового выпрямителя без фильтра. 34

Исследование однофазного мостового выпрямителя с C-фильтром. 35

Исследование однофазного мостового выпрямителя с RC-фильтром. 36

Лабораторная работа №3 Триодный тиристор

. 36

3.1 Цель работы.. 36

3.2 Теоретическое введение. 36

3.3 Описание работы.. 42

3.4 Порядок выполнения работы.. 42

3.5 Обработка результатов. 43

3.6 Контрольные вопросы.. 43

Лабораторная работа №4 Управляемые выпрямители с использованием лабораторного стенда «Электроника». 44

Теоретическое введение. 44

Порядок выполнения лабораторной работы.. 45

Список литературы.. 48

Предисловие

Данные методические указания разработаны таким образом, что каждая лабораторная работа проводится с использованием пакета схемотехнического моделирования EWB и специального стенда «Электроника». Такой подход позволит студентам приобрести устойчивые навыки моделирования электронных устройств, избежать возможных ошибок при анализе и сборке схем на специализированном стенде, а также в полном объёме продемонстрировать полученные в учебном процессе знания, навыки и умения.

Основой лабораторной базы по курсу «Основы преобразовательной техники» является универсальный лабораторный стенд «Электроника», состоящий из шести основных блоков, измерительной аппаратурой и вспомогательными устройствами, позволяющими повысить эффективность лабораторного практикума в отношении общего объёма получаемых студентами навыков и полезной информации. Лаборатория комплектуется пятью однотипными стендами, обеспечивающими возможность проведения занятий по фронтально-тематическому или фронтальному признаку с хорошей увязкой по времени тематики лекций и прохождения лабораторного практикума одновременно пятью бригадами студентов.

В настоящем издании приведено описание конструкции и раскрыты основные технические возможности лабораторного стенда.

При выполнении лабораторных работ студенты приобретают навыки составления и сборки схем аналоговых и цифровых электронных устройств различного назначения, их экспериментального исследования.

При подготовке к лабораторным работам данные указания не могут заменить основной литературы, рекомендованной для изучения курса и конспекта лекций. В совокупности с теоретическим материалом данные указания используются при подготовке и выполнении всех лабораторных работ как справочный материал и необходимы для составления конкретных принципиальных схем каждого эксперимента и разработки методики его проведения.

В результате изучения методических указаний студент должен быстро находить все приборы, блоки, установленные на лабораторном стенде; гнёзда, к которым они подключены; уметь осуществлять сборку, включение и наладку необходимых для экспериментов схем, быть знакомым и уметь пользоваться осциллографом.

1. Общие сведения

Конструктивно стенд «Электроника» (рис. 1) состоит из лабораторного стола с жестко соединенной с ним лицевой панелью.

Рис. 1 Внешний вид испытательного лабораторного стенда

На лицевой панели закреплены:

- сетевой выключатель S1 и сетевой индикатор Н1;

- контактные гнезда;

- функциональные переключатели 34 и кнопки 32, 83;

- цифровой индикатор;

- сигнальные светодиоды Н2 - НИ.

Функционально лицевая панель разбита на пять блоков:

1) Блок питания. В пределах этого блока можно выполнить работы по основам преобразовательной техники (рис. 2).

Рис. 2

2) Блок для исследования схем на биполярных транзисторах (рис. 3)

Рис. 3

3) Блок для исследования схем на основе операционного усили­теля (рис. 4).

Рис. 4

4) Блок для исследования генераторов сигналов (рис. 5).

Рис. 5

5) Блок для исследования схем цифровой техники (рис. 6).

Рис. 6

Блоки №№ 1,4 выполнены на отдельных платах (разъемы XI, ХЗ) . Блоки №№ 2, 3 выполнены на одной плате (разъем Х2), а блок №5 - на двух платах (разъемы Х4, Х5).

Все пять блоков завязаны функционально. Так блок питания №1 яв­ляется общим для всех остальных блоков, поэтому при выполнении работ на блоках №№ 2-5 необходимо собрать стабилизатор напряжения +12В и выставлять на его выходе необходимое напряжение. Генераторы сигна­лов, исследуемые на блоке №4, используются для исследования схем в блоках №№ 2, 3, 5 (условные обозначения ГС1, ГС2).

Для удобства и наглядности коммутация всех схем производится стандартными перемычками.

Расстояние между гнездами коммутируемых элементов схем также стандартное и равно 20мм.

2. Основные правила техники безопасности при работе на лабораторном стенде «Электроника»

1. Сборку электрических схем (соединение штатными перемычками контрольных гнёзд в соответствии с электрической принципиальной схемой опыта), а также различного рода изменения их в процессе выполнения лабораторной работы производить только при отключенном питании стенда. Для выполнения этого автоматический выключатель «СЕТЬ», расположенный в правой нижней части лицевой панели стенда должен быть отключен (ручка в крайнем нижнем положении).

2. Запрещается использовать соединительные проводники с неисправным состоянием их изоляции и наконечников, особенно если применяются переносные приборы.

3. До включения лабораторной установки необходимо предъявить собранную электрическую схему преподавателю для проверки. Включение установки под напряжение можно производить только с его разрешения.

4. Во время выполнения лабораторной работы производить изменение точек подключения приборов (осциллограф, вольтметр, амперметр), при включённом питании стенда разрешается только в цепях управления ± 12 В.

Данные операции выполнять исключительно при отключенном питании стенда.

5. Во время выполнения работ запрещается:

Оставлять включённый стенд без надзора.

Заходить за лицевую панель стенда.

Касаться токоведущих частей.

6. При работе в лаборатории следует соблюдать тишину и порядок на рабочем месте. По окончании работы рабочее место следует привести в порядок и сдать проводники и приборы преподавателю.

7. В случае обнаружения каких-либо признаков ненормальной работы оборудования (посторонний шум, дым, запах гари, обрыв соединительных проводников и т.п.) произвести отключение стенда от сети питания автоматическим выключателем «СЕТЬ» и сообщить об этом преподавателю. Запрещается самостоятельно пытаться устранить неисправность.

3. Инструкция по работе с электронным осциллографом С1– 68

Органы управления С1-68

При проведении лабораторных работ, для наблюдения и исследования кривых переходных процессов путём визуального наблюдения и измерения их временных и амплитудных значений, используется универсальный электронный осциллограф типа С1 – 68 (рис. 3.1)

Остановимся на назначении органов управления и методике работы с осциллографом.

Органы управления и присоединения (рис. 3.1), расположенные на лицевой панели предназначены:

Ø Тумблер «Сеть» - для включения и выключения прибора.

Ø Ручка «Яркость» - для установки необходимой яркости луча.

Ø Ручка «Фокус» - для фокусировки луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

Ø Шлиц «Астигматизм» - для установки астигматизма ЭЛТ.

Ø Ручка «Шкала» - для регулировки освещения шкалы.

Поле «УСИЛИТЕЛЬ Y»(органы управления усилителем вертикального отклонения луча) содержит:

Ø Тумблер «~, ~ » - для выбора открытого или закрытого входа усилителя.

Ø Вход « 1МΩ50рF» - для подачи исследуемого сигнала.

Ø Большая ручка переключателя «V/cm, mV/cm» - для переключения входного делителя напряжения (аттенюатора).

Ø Малая ручка переключателя «усиление»- дляплавной регулировки чувствительности усилителя.

Ø Ручка «↨» -для перемещения луча по вертикали.

Ø Ручка «балансир»- для балансировки усилителя.

Ø Шлиц «▼» для калибровки чувствительности усилителя.

Ø Тумблер «х 1» - «х 10» - изменение чувствительности усилителя в 10 раз в сторону загрубления.

Поле «РАЗВЕРТКА»(управление усилителем горизонтального отклонения луча» содержит:

Ø Переключатель «х, х 1, х 0,2» - для подключения входа «Х»и пятикратного растяжения.

Ø Гнездо « Х »- для подачи внешнего сигнала на входной усилитель горизонтального отклонения луча.

Ø Ручка «↔»дляперемещения изображения по горизонтали.

Ø Большая ручка сдвоенного переключателя «Время/cm» и малая ручка «длительность» - для регулировки длительности развёртки.

Ø Ручка «Стаб.» - для выбора режима работы генератора развёртки (ждущий, автоколебательный).

Поле «СИНХРОНИЗАЦИЯ»(управление режимом синхронизации запуска развёртки) содержит:

Ø Ручка переключателя вида синхронизации «Сеть, Внутр., Внеш., - 1:1, 1:10» - для установки внутренней и внешней синхронизации с делителем и без делителя напряжения, а также для синхронизации от питающей сети.

Ø Ручка переключателя полярности синхронизации «± ~ », «± ~ » -для установки открытого или закрытого входа синхронизации и выбора её полярности.

Ø Ручка «уровень»- для выбора уровня запуска развёртки.

Ø Гнездо «Внеш.» - для подачи внешнего сигнала синхронизации.

Также на передней панели находится гнездо для сигнала калибровки усилителей вертикального и горизонтального отклонения «2кHz 100 mV» и зажим «земля» « ».

Рис. 3.1 Внешний вид электронного осциллографа С1 - 68

Рис. 3.2 Органы управления и присоединения осциллографа С1-68

Порядок работы с осциллографом С1-68

Перед включением С1-68 в сеть необходимо произвести подготовку к измерениям, т.е. установить органы управления в следующие положения:

Ø «Яркость»- среднее.

Ø «Фокус»- среднее.

Ø Тумблер входа «~, ~ » - в положение « ~».

Ø Переключатель аттенюатора «V/cm, mV/cm»- в положение«2 mV/cm».

Ø Переключатель «Усиление»- в крайнее правое положение («калибр»).

Ø Тумблер «х 1» - «х 10»- в положение «х 10».

Ø «Балансир»-в среднее.

Ø Тумблер«Сеть»- в положение «выключено».

Ø Переключатель «х, х 1, х 0,2» - в положение «х 1».

Ø Переключатель «Время/cm» - в положение «0,5 ms».

Ø Переключатель «Длительность» - в крайнее правое положение («калибр»).

Ø Переключатель «Стаб.» - в крайнее правое положение.

Ø Переключатель «Уровень» - в среднее положение.

Ø Переключатель вида полярности синхронизации «± ~, ± ~ »- в положение ««± ~».

Соедините прибор сетевымшнуром систочником ~ 220 В на лицевой панели стенда «Электропривод» и тумблером «Сеть» осциллографа, включить его. При этом на осциллографе должна загореться сигнальная лампочка.

После прогрева в течение 2-3 минут, отрегулируйте яркость и фокусировку линии развёртки с помощью ручек «яркость», «фокус» и шлица «астигматизм». Ширина линии луча должна быть не более 0,7 мм.

Переместите луч в пределы рабочей части экрана ручками «↔» и «↨».

После прогрева в течение 15 минут, произведите балансировку усилителя вертикального отклонения луча, проделав для этого следующие операции:

Ø Установите тумблер «х 1» - «х 10»в положение «х 10»и ручкой «↨» установите луч в центре экрана.

Ø Установите тумблер «х 1» - «х 10»в положение «х 1»иручкой«балансир» снова установите луч в центре экрана.Повторяйте эти операции до тех пор, пока линия развёртки не перестанет перемещаться при переключении тумблера «х 1» - «х 10»

После этого прибор готов к работе и можно приступать к выбору режима работы и проведению необходимых наблюдений и измерений.

Для проведения необходимых наблюдений и измерений исследуемых сигналов, изображение на экране осциллографа должно быть устойчивым и иметь величину, удобную для изучения. Для этого требуется установить необходимый вид связи и ослабление входного делителя усилителя вертикального отключения, режим работы развёртки, вид синхронизации.

Вид связи канала вертикального отклонения с источником исследуемого сигнала выбирается тумблером входа « ~, ~». В положении « ~ »связь с источником исследуемого сигнала осуществляется по постоянному току. Это обычный режим, но в случаях, когда постоянная составляющая исследуемого сигнала намного больше переменной, то выбираем связь источника исследуемого сигнала с каналом вертикального отклонения по переменному току «~», тогда конденсатор входной цепи не пропускает постоянную составляющую.

Ослабление входного сигнала выбирается ручкой аттенюатора «V/cm, mV/cm»и плавно регулируется его малой ручкой «усиление». Желательно выбирать размах изображения по вертикали как можно большим, что уменьшает погрешность отсчёта при измерении. При измерении амплитуды сигнала необходимо учитывать, что значение коэффициента отклонения, обозначенное на передней панели «V/cm, mV/cm»верно лишь при крайнем правом положении ручки «усиление», которая спарена с переключателем входного аттенюатора и имеет в крайнем правом положении механическую фиксацию.

Режим развёртки выбирается ручкой «Стаб.». Существует ждущий и автоколебательный режим развёртки. Для получения автоколебательного режима необходимо повернуть ручку «Стаб.» вправо до появления развёртки (сигнала на экране). Для получения ждущей развёртки повернуть ручку «Стаб.» влево до срыва развёртки и затем, далее на 5-10°.

Источник синхронизации выбирается переключателем вида синхронизации «Сеть», «Внутр.», «Внеш.». Внутренняя синхронизация может быть использована в большинстве случаев. В положении переключателя «Внутр.» сигнал поступает с канала вертикального отклонения луча. При использовании внешней развёртки (переключатель в положении «Внеш.») синхронизация осуществляется внешним сигналом, подаваемым на гнездо « Внеш.». Этот вид развёртки удобен для исследования сигналов, которые зависят от времени. Полярность сигнала, запускающего развёртку, выбирается переключателем полярности синхронизации «± ~, ± ~ ».

Длительность развёртки устанавливается такой, чтобы можно было наблюдать форму исследуемого сигнала. Устанавливается при помощи переключателей «Время/cm» и «х 1, х 0,2». Плавная регулировка длительности развёртки осуществляется при помощи ручки «длительность», спаренной с ручкой переключателя «Время/cm». При измерении длительности следует помнить, что значение длительности, обозначенные на передней панели прибора, верны только в правом крайнем положении ручки «длительность». В этом положении ручка потенциометра имеет механическую фиксацию.

Для наблюдения исследуемого сигнала и измерения его основных параметров таких, как амплитуда, частота, временные интервалы, необходимым условием является получение устойчивого изображения на экране электронно-лучевой трубки, чего можно добиться выбором режимов развёртки и синхронизации.

Основными режимами являются:

Ø Ждущая развёртка с синхронизацией исследуемых сигналов.

Ø Непрерывная развёртка с синхронизацией исследуемых сигналов.

Ø Синхронизация от внешнего источника.

Независимо от выбранного режима порядок получения устойчивого изображения следующий:

Ø При помощи соединительного кабеля подать исследуемый сигнал на вход « 1МΩ50рF».

Ø Установить ручку переключателя вида синхронизации в одно из выбранных положений «Внутр.», «Внеш. 1:1», «Внеш. 1:10», «Сеть».

Ø Ручку «Уровень» установить в среднее положение.

Ø Поставить в нужное положение переключатель длительностей и тумблер множителя развёртки в соответствии с длительностью процесса.

Ø Установить переключатель «V/cm, mV/cm»в положение, при котором величина исследуемого сигнала наиболее удобна для наблюдения.

Ø Вращать ручку «Стаб.» вправо до появления изображения на электронно-лучевой трубке.

Ø Вращать ручку «Стаб.» в обратную сторону добиться срыва изображения.

Ø Вращая ручку «Уровень» вправо или влево, добиться устойчивого изображения сигнала.

После получения устойчивого изображения исследуемого сигнала произвести его измерение и изучение формы.

Измерение временных интервалов

Перед измерением ручку «Длительность» установить в крайнее правое положение. В этом положении развёртка калибрована и соответствует градуировке переключателя «Время/cm».

Затем установить измеряемый временной интервал в центре экрана, а переключателем «Время/cm» и «х, х 1, х 0,2» в такое положение, чтобы измеряемый интервал занимал длину на экране не более 30 мм шкалы.

Измеряемый временной интервал определяется произведением длины измеряемого интервала времени на экране по горизонтали в делениях шкалы (см), значения коэффициента развёртки (цифровой отметки переключателя длительности развёртки) и значения множителя развёртки (х 1, х 0,2).

Измерение амплитуды исследуемых сигналов

При измерении ручка «Усиление» должна находиться в крайнем правом положении.

Установить переключателем «V/cm, mV/cm»величину изображения в пределах рабочей части экрана, но не менее 2 см. Совместите при помощи ручек «↔» и «↨» изображение сигнала с делениями шкалы и отсчитайте размер изображения по вертикали в делениях (см.).

Величина исследуемого сигнала в вольтах равна произведению измеряемой величины в сантиметрах, коэффициента отклонения (цифровой отметки переключателя «V/cm, mV/cm» и значения множителя «х 1, х 10». При работе с выносным делителем результат умножается на 10.

4. Содержание отчёта к лабораторной работе

1. Цель лабораторной работы.

2. Краткое теоретическое введения.

3. Исследуемые схемы.

4. Расчеты всех параметровсхемы.

5. Полученные графики сигналов.

6. Анализ влияния параметров на выходной сигнал.

7. Таблицы результатов.

8. Выводы.

Лабораторная работа №1
Иследование полупроводниковых выпрямителей c использованием пакета ELECTRONICS WORKBENCH EWB

1. Цель работы

Изучить основные принципы работы однофазных выпрямителей и сглаживающих фильтров. Изучение и применение пакета Electronics Workbench для исследования однофазных выпрямителей и сглаживаю­щих фильтров.

2. Теоретическое введение

2.1 Классификация выпрямителей

Источники вторичного электропитания (ИВЭП)- электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания в электрическую энергию значения частоты, уровня и стабильности которой согласованы с требованиями, предъявляемыми к этим параметрам конкретными электронными устройствами (ЭУ) и системами.

В качестве первичных источников электропитания для ЭУ и систем обычно используют либо промышленную сеть переменного тока, либо автономные источники переменного (генераторы) или постоянного (аккумуляторы, химические батареи и т.д.) тока. Практика показывает, что возможности непосредственного использования этих источников для питания различных ЭУ и систем весьма ограничены.

Это обусловлено:

- несовпадением частот напряжения промышленной сети и потребителя;

- несовпадением уровней напряжения;

- несовпадением стабильностей напряжений.

Все это обуславливает необходимость применения специального ЭУ, согласующего частоты, уровни и стабильности напряжений, необходимых для питания отдельных узлов ЭС. Роль этого ЭУ и выполняют ИВЭП, преобразующий электрическую энергию в электрическую, т.е. выполняющий вторичное преобразование электрической энергии.

Наиболее распространенными источниками вторичного электропитания являются источники, которые преобразуют энергию сети переменного тока частотой 50 Гц. Такие источники включают в себя выпрямитель и стабилизатор.

Выпрямители бывают неуправляемыми и управляемыми. Спомощью неуправляемых выпрямителей на выходе источника получают выпрямленное (постоянное) напряжение неизменного значения. Управляемые выпрямители применяют тогда, когда необходимо изменить значение выпрямленного тока или напряжения.

По форме выпрямленного напряжения выпрямители подразделяют на однополупериодные и двухполупериодные. На работу выпрямителей существенное влияние оказывает вид нагрузки. Имеется четыре основных вида нагрузки: активная, активно-индуктивная, активно-емкостная и с противо-э.д.с. Выпрямители малой мощности обычно работают на активную и активно-емкостную нагрузку, выпрямители средней и большой мощностей чаще всего питают активно-индуктивную нагрузку. Нагрузку с противо-э.д.с. выпрямитель имеет в том случае, когда он питает двигатель постоянного тока или используется для зарядки аккумуляторов.

2.2 Однофазные и трехфазные выпрямители

Структурная схема однофазного выпрямительного устройства изображена на рис. 1.1. На вход выпрямителя подается переменное напряжение u₁ которое с помощью трансформатора Тр изменяется до требуемого значения u₂ .Кроме того, трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямляемого напряжения и нагрузочного устройства,что позволяет получать с помощью несколькихвторичных обмоток различные значения напряжения u₂, гальванически не связанных друг с другом.

После трансформатора переменное напряжение u₂ вентильной группой ВГ (или одним вентилем) преобразуется в пульсирующее напряжение u₀₁. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

Рис. 1.1 Структурная схема однофазно выпрямительного устройства

В выпрямленном напряжении u₀₁. помимо постоянной составляющей присутствует переменная составляющая, которая с помощью сглаживающего фильтра СФснижается до требуемого уровня, так что напряжение u₀₂на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения Ст поддерживает неизменным напряжение U_н на нагрузочном устройстве R_н при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротив-

ления R_н. В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутствовать.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных.

Схема однополупериодного выпрямителяприведена на рис. 1.2 а. Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединены диод Д и нагрузочный резистор R_н.

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т.е. принимают следующие допущения: у трансформатора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная э. д. с.

Работу выпрямители удобно рассматривать с помощью временных диаграмм рис. 1.2б. В первый полупериод, т. е. в интервале времени 0-Т/2, диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки б, и под действием напряжения в цепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток i_н . В интервале времени Т/2-Т диод закрыт,ток в нагрузочном резисторе отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение u₂.

Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя и всех выпрямителей являются:

- средние значения выпрямленных тока и напряжения I _н.ср. и U _н.ср.
мощность нагрузочного устройства P _{н.ср .}= U _н.ср. I _н.ср.

- амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения U_{осн. т.}
коэффициент пульсации выпрямленного напряжения p = U_{осн. т.}/ U _н.ср.

- действующие значения тока и напряженияпервичной и вторичной обмоток трансформатора I₁, U₁ и I₂, U₂ ;

- типовая мощность трансформатора S_тр = 0,5(S₁ + S₂), где S₁ = U₁ I₁ , а S₂ = U₂ I₂;

- коэффициент полезного действия =P_н.ср./( P_н.ср+ P_тр+ P _д ), где P_тр-потери в трансформаторе, а P _д-потери в диодах.

Рис. 1.2 Схема (а), временные диаграммы напряжений и токов

(б) однополупериодного выпрямителя

В однополупериодном выпрямителе (рис. 1.2)

U _н.ср. = U₂ sin t d t = 0,45 U₂ ,

или

U₂ = 2,22 U

I _н.ср.= 0,45 U₂/ R_н

Ток I _н.ср. является прямым током диода, т. е.

I_пр.ср. = I _н.ср. = 0,45U₂ / R_н

Ток i_н является током вторичной обмотки трансформатора:i_н = i₂.Тогда действующее значение этого тока

I₂ = = 1,57 I _н.ср

При подсчете типовой мощности трансформатора практически без большой ошибки можно считать, что S₁ S₂ .Тогда

S _тр. S₂ = U₂ / I₂ = 2,22 U _н.ср 1,57 I _н.ср 3,5 P _н.ср.

Коэффициент пульсаций p = 1,57. Это значение получается разложением в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя:

u _н = U _н.ср cos t + cos t - cos t + ...

Коэффициент пульсаций p есть отношение амплитуды основной (первой) гармоники, частота которой в данном случае равна , к выпрямленному U _н.срнапряжению получим

p = = 1,57

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя:

- большой коэффициент пульсаций,

- малые значения выпрямленных тока и напряжения.

Следует обратить внимание еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток i₂ имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что, в свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению к.п.д. всего выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств (например, электронно-лучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию; мощность не более 10-15 Вт.

Диод в выпрямителях является основным элементом. Поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. Иначе говоря, диоды во многом определяют основные показатели выпрямителей.

Диоды характеризуются рядом основных параметров. Для того чтобы выпрямитель имел высокий коэффициент полезного действия, падение напряжения на диоде U_пр. при прямом токе I _пр должно быть минимальным. В паспорте на диод указывают среднее значение прямого тока I _пр.ср которое численно равно среднему значению выпрямленного тока I _н.ср и среднее значение прямого падения напряжения U_пр.ср.

Предельный электрическийрежим диодов характеризуют следующие параметры:

- максимальное обратное напряжениеU_{обр.мах} ;

- максимальный прямой ток I _пр.мах, соответствующий I_{выпр.мах.}

Необходимо учитывать также максимальную частоту диодов f_мах.В случаях превышения этой частоты диоды теряют вентильные свойства.

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовыми и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители являются более мощными, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют для своего питания оба полупериода напряжения сети. Они свободны от недостатков, свойственных однополупериодным выпрямителям, имеют более высокий к.п.д. Однако это достигается за счет усложнения схем двухполупериодных выпрямителей.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис. 1.3). Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой - нагрузочный резистор R_н .

Рис. 1.3 Схема (а), временные диаграммы напряжений

и токов (б) мостового выпрямителя

Каждая пара диодов (Д₁ , Д₃ и Д₂, Д₄) работает поочередно. Диоды Д₁ , Д₃ открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂(интервал времени 0 — Т/2), когда потенциал точки а выше потенциала точки b. При этом в нагрузочном резисторе R_нпоявляется ток i_н (рис. 1.3, б). В этом интервале диоды Д₂ , Д₄закрыты.

В следующий полупериод напряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2 — Т) потенциал точки b выше потенциала точки а, диоды Д₂ , Д₄ открыты,а диоды Д₁ , Д₃ закрыты. В оба полупериода, как видно из рис. 2.2.3, ток через нагрузочный резистор R_н имеет одно и то же направление.

Анализ временных диаграмм позволяет получить выражения для средних значений выпрямленных напряжения и тока:

U_н.ср.= U_2m sin t d t = = 0,9 U₂

I_н.ср. = U_н.ср. / R_н 0,9 U₂ / R_н .

Из предыдущего выражения можно найти действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора:

U₂ = U_н.ср 1,11 U_н.ср

Так как средний ток каждого диода, являющийся также током вторичной обмотки трансформатора

I_пр.ср = I_{2 ср} = 0,5 I_н.ср.

а максимальный ток вторичной обмотки I_2m = U_2m / R_н то действующее значение тока вторичной обмотки:

I₂ = 0,78 I_н.ср.

Из временных диаграмм видно, что максимальное обратное напряжение на диодах

U_{обр.мах} = U_2m = U₂ = U_н.ср 1,57 U_н.ср

Максимальный прямой ток диода

I_пр.m = = 1,57 I_н.ср

Анализ приведенных соотношений показывает, что при одинаковых значениях параметров трансформаторов и сопротивления R_н мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества: средние значения выпрямленных тока I_н.ср и напряжения U_н.срвдва раза больше, а пульсации значительно меньше.

Разложив напряжение u _н (рис. 1.3, б) в ряд Фурье, получим числовое значение коэффициента пульсаций:

u _н = U _н.ср 1 + cos 2 t - cos 4 t + ...

Амплитуда основной гармоники частотой 2 равна 2/3. Следовательно, p 0,67

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки включены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т. е. U_2m = U₂ . Все эти преимущества достигнуты за счет увеличения количества диодов в четыре раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

В настоящее время промышленность выпускает полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме.

Двухполупериодный выпрямительс выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.4 а) можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на один и тот же нагрузочный резистор R_н .

Действительно, в каждый из полупериодов напряжения u_ab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точкиа выше потенциала средней точки О(интервал времени 0 - Т/ 2), диод Д₁ открыт, диод Д₂ закрыт, так как потенциал точки b ниже потенциала точки О. В этот период времени в нагрузочном резисторе R_н появляется ток i _н (рис. 1.4, б). В следующий полупериод напряженияu_ab(интервал времени Т/2 - Т) потенциал точки b выше, а потенциал точки аниже потенциала точки О. Диод Д₂ открыт, а диод Д₁ закрыт. При этом ток в нагрузочном резисторе R_нимеет то же направление, что в предыдущий полупериод. При одинаковых значениях напряжений U_2a и U_2b эти токи будут равны.

В рассматриваемом двухполупериодном выпрямителе габариты, масса и стоимость трансформатора значительно больше, чем в однополупериодном и мостовом выпрямителях, поскольку вторичная обмотка имеет вдвое большее число витков и требуется вывод от средней точки обмотки.

Отметим, что достоинства этого выпрямителя, присущие мостовому выпрямителю, достигаются при вдвое меньшем количестве диодов.

Двухполупериодные выпрямители применяют для питания нагрузочных устройств малой и средней мощностей.

Рис. 1.4 Схема (а), временные диаграммы напряжений и токов

(б) выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора

3. Описание работы

Исследования однофазных выпрямителей и сглаживающих фильтров с ис- пользованием пакета Electronics Workbench. Пакет Electronics Workbench устанавливается в среде Microsoft Windows 95/98. Запуск пакета Electronics Workbench осуществляется нажатием левой клавши мыши на ярлык программы Electronics Workbench Pro на рабочем столе или воспользовавшись меню пуск /программы/ Electronics Workbench / Electronics Workbench Pro. Выбираем необходимые элементы схемы в окошках, соединяем, запускаем схему, проводим необходимые измерения.

Приборы и элементы

Вольтметр (панель «Indicators»)

Амперметр (панель «Indicators»)

Осциллограф (панель «Instruments»)

Функциональный генератор (панель «Instruments»)

Источник питания (панель «Sources»)

Резисторы (панель «Basic»)

4. Порядок выполнения лабораторной работы

В лабораторной работе требуется с использованием пакета Electronics Workbench построить и исследовать однофазные выпрямители и сглаживающие фильтры.

5. Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя

С использованием пакета EWB смоделировать схему однофазного однополупериодного выпрямителя рис. 1.5 и исследовать следующие режимы работы однофазного однополупериодного выпрямителя без фильтров, работу выпрямителя с фильтрами рис. 1.6 ( Тип фильтров задается в табл. 1.)

Результаты исследования занести в таблицу 1.

Модель трансформатора в программе EWB не во всех случаях применима из-за необходимости заземления обмоток (что существенно снижает возможности его применения). По этой причине во всех схемах выпрямителей далее в качестве первичных источников используются источники переменного напряжения.

Марка используемого диода - 1N4001.

Рис. 1.5 Схема однофазного однополупериодного

выпрямителя без фильтров

а)

б)

в)

Рис. 1.6 Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

с фильтрами: (а)-С-емкостным фильтром; (б)-LС-фильтром;

(в)-CLC-фильтром

К сопротивлению нагрузки R_н подключить осциллограф, установить его первоначальные параметры:

-частота развертки-0,01с/дел;

-амплитуда (канал А)-10 В/дел;

-вход-закрыт (AC)-U_АС

-вход-открыт (ДС)-U_DC = U_{осн. мах.}

Для определения действующего значения выпрямленного напряжения U_d переключите осциллограф на открытый вход (DC). Измерьте максимальное значение полуволны выпрямленного напряжения на открытом входе (DC), а затем на закрытом входе (АС). Разность между полученными значениями даст постоянную составляющую выпрямленного напряжения (U_d).

Для контроля измерения U_d на выход выпрямителя поставить вольтметр.

Таблица 1.1

Параметры	Схемы Без фильтров	Схемы с фильтрами
"С" 100 мкФ	"LС" 1 мГн 100мкф	"CLС" 100 мкФ 100 мГн 100 мкФ
Uосн.мах. = UDС, В
Ud = UDC-UАС, B
p = Uосн.мах / Ud
q = p без фил./ pc фил.

6. Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя

С использованием пакета EWB смоделировать схему однофазного двухполупериодного выпрямителя рис. 1.7 и исследовать следующие режимы: работа однофазного двухполупериодного выпрямителя без фильтра, работа выпрямителя с фильтрами рис. 1.8 Результаты исследования занести в таблицу, аналогичную таблице 1. (параметры фильтров в схеме рис. 4(в) Lф = 200 мГн).

Рис. 1.7 Схема однофазного двухполупериодного

выпрямителя без фильтров

а)

б)

в)

Рис. 1.8 Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя

с фильтрами: (а)-C-емкостным фильтром; (б)-LС-фильтром;

(в)-CLC-фильтром

Исследование однофазной мостовой схемы выпрямителя. С использованием пакета EWB смоделировать мостовую схему выпрямителя рис. 1.9 и исследовать следующие режимы: работа однофазной мостовой схемы выпрямителя без фильтров, работа выпрямителя с фильтрами рис. 1.10. Результаты исследования занести в таблицу, аналогичную таблице 1 (параметры фильтров в схеме рис. 1.10 (в) Lф = 200 мГн).

Рис. 1.9 Схема мостового выпрямителя без фильтров

а)

б)

в)

Рис. 1.10 Схема мостового выпрямителя с фильтрами:

(а)-С-емкостным фильтром; (б)-LС-фильтром;

в)-СLC-фильтром

7. Обработка результатов

1. Пронаблюдать изменения сигнала на нагрузке (используя осциллограф), зарисовать полученные осциллограммы в тетради, предварительно выбрав масштаб.

2. Сравнить теоретические значения с практическими результатами.

3. Сделать выводы о влиянии параметров фильтра на выходной сигнал.

4. Заменяя емкостной элемент индуктивностью (или наоборот) проследить изменение вида выходного сигнала.

5. Заменяя индуктивный элемент сопротивлением проследить изменение выходного сигнала.

6. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Принцип действия однофазного однополупериодного выпрямителя?

2. Принцип действия однофазного двухполупериодного выпрямителя?

3. Принцип действия однофазного мостового выпрямителя?

4. Основные отличия, достоинства и недостатки соответствующих схем?

5. Принцип действия емкостного фильтра?

6. Принцип действия индуктивного фильтра?

7. Приведите основные типы фильтров?

8. Сравнить характеристики работы С и RC-фильтров.

Лабораторная работа №2
Исследование выпрямителей с использованием лабораторного стенда «Электроника»

Порядок выполнения лабораторной работы

Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя без фильтра (см. стр.6, рис. 2).

1) Собрать схему однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.1). Подключить амперметр к точкам 1 и 2 (соблюдая полярность - «+» прибора к точке 2, «-» к точке 1), а также вольтметр к точкам 3 и 4 (3-«-», 4-«+»). На приборах определить цену деления. Исследовать следующие режимы работы однофазного однополупериодного выпрямителя без фильтров:

Рис. 2.1

2) Снять показания вольтметра при различных значениях токах нагрузки (токи задаются преподавателем). Установка выходного тока производится с помощью переменного резистора R11 (резистор нагрузки). Все результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1. При коммутации схем и переключении приборов необходимо производить выключение стенда.

3) Настроить осциллограф в соответствии с описанием на стр. 7. Отсоединить вольтметр и к точкам 3 и 4 подключить осциллограф. Переключить вход осциллографа на измерение (амплитуда напряжения, учитывающая переменную и постоянную составляющей сигнала ).

4) Включить стенд и зарисовать осциллограммы при токах, которые были заданы преподавателем.

5) Переключить вход осциллографа на измерение переменной составляющей сигнала . Измерить и зарисовать амплитуду переменной составляющей сигнала, при тех же токах.

6) Отключить стенд.

Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя с
C-фильтром

1) Собрать схему (рис. 2.2). Подключить амперметр к точкам 1 и 2 (соблюдая полярность - «+»прибора к точке 2, «-» к точке 1), и вольтметр к точкам 3 и 4 (3-«-», 4-«+»).

Рис. 2.2

2) Повторить пункты 2-5 (см.выше).

3) Заполнить таблицу 1.

Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя с
RC-фильтром

1) Собрать схему однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3) Подключить амперметр к точкам 1 и 2 (соблюдая полярность-«+»прибора к точке 2, «-» к точке 1), а также вольтметр к точкам 3 и 4 (3-«-», 4-«+»).

Рис. 2.3

2) Повторить пункты 2-5.

3) Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

Параметры	Схема без фильтра	Схема с C4 фильтром (100 мкФ)	Схема с R4C3 фильтром (15 Ом, 470 мкФ)
(показания вольтметра)
Uосн.мах. = U ,В
Ud = U -U , B
p = Uосн.мах / Ud
q = p без фил./ p c фил.

Примечание: р - коэффициент пульсации, с помощью которого рассчитается коэффициент сглаживания q, являющийся основным параметром характеризующим работу фильтра.

Исследование однофазного мостового выпрямителя без фильтра

1) Собрать схему мостового выпрямителя, показанную на рис. 2.4. Подключить амперметр к точкам 1 и 2 (соблюдая полярность-«+»прибора к точке 2, «-» к точке 1), а также вольтметр к точкам 3 и 4 (3-«-», 4-«+»). Исследовать следующие режимы работы однофазного мостового выпрямителя без фильтров:

Рис. 2.4

2) Снять показания вольтметра при различных значениях токах нагрузки (токи задаются преподавателем). Установка выходного тока производится с помощью переменного резистора R11. Результаты занести в таблицу аналогичную таблице 1.

3) Отсоединить вольтметр и к точкам 3 и 4 подключить осциллограф. Переключить вход осциллографа на измерение переменной и постоянной составляющей сигнала .

4) Включить стенд и зарисовать осциллограммы при тех же токах. Сравнить их с теоретическим графиком мостового выпрямителя. Сделать выводы.

5) Переключить вход осциллографа на измерение переменной составляющей сигнала . Измерить и зарисовать переменную составляющую сигнала, при тех же токах. Оценить влияние переменной составляющей сигнала на выходное напряжение выпрямителя.