Основные теоретические положения. Исследования однотактного и двухтактного двухполупериодного выпрямителя

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.

Исследования однотактного и двухтактного двухполупериодного выпрямителя.

Цель работы. Исследование двухполупериодных выпрямительных устройств, сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими, снятие характеристик.

Основные теоретические положения.

Кроме недостатков, указанных в лабораторной работе №1 однополупроводниковые выпрямители обладают и низким к.п.д. в силу того, что ток I₂ вторичной обмотки трансформатора имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника и, как следствие, снижается индуктивность обмоток трансформатора и растет ток холостого хода трансформатора.

Двухполупериодные выпрямители свободны от недостатков, свойственных однополупериодным выпрямителям и имеют более высокий к.п.д.. Они бывают двух типов: мостовыми и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Схема двухполупериодного однотактного выпрямителя представлена на Рис.2.1. Рассматриваемый двухполупериодный выпрямитель представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение U₂ на каждой половине вторичной обмотки трансформатора (1-3 и 3-2) можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол 180^о . Так как каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод его становится положительным относительно катода, нетрудновидеть, что при заданном на Рис.2.1 направлении напряжений на вторичной обмотке трансформатора проводить ток будет диод VD₁. Диод VD₂ при этом будет закрыт.

При изменении направления напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводящим становится диод VD₂, а диод VD₁ пропускать ток не будет, так как его анод по отношению к катоду при этом имеет отрицательный потенциал. Таким образом, диоды в схеме будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды напряже-

Рис.2.1 ния на обмотках трансформатора.

В результате диаграммы выпрямленных тока и напряжения на выходе выпрямительного устройства Рис.2.1 будут иметь вид, представленный на Рис.2.2.

Кривую выпрямленного тока при двухполупериодном выпрямлении можно разложить в гармонический ряд Фурье:

i = I_m( cos 2ωt- cos 4ωt -…).

При этом, также как и для схемы однополупериодного выпрямления, наряду с переменными составляющими гармонический ряд содержит и постоянную составляющую тока

I_d = I_m

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке (среднее значение выпрямленного напряжения)

U_d = I_d ∙ R_н = R_н=

где I_m = U_2m/ R_н –максимальное(амплитудное)значение выпрямленного тока; U_2m- амплитудное значение напряжения половины вторичной обмотки трансформатора.

Рис.2.2

Как следует из полученного выражения, среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при двухполупериодной схеме увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.

Выражая среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке через действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора, получаем

U_d = = =

Как следует из Рис.2.2 пульсации тока в двухполупериодной схеме значительно уменьшаются по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя. Коэффициент пульсаций в данном случае

q = = 0,667

Максимальное значение обратного напряжения на диодах в рассматриваемой схеме

U_обр.max.= 2U_2m

Действительно, когда один из диодов пропускает ток, потенциал его катода оказывается практически равным потенциалу анода, так как незначительным падением напряжения на диоде можно пренебречь. Тот же потенциал имеет и катод второго диода, в данную часть периода непропускающего ток, так как катоды обоих диодов в схеме связаны. В результате разность потенциалов катода и анода непропускающего диода равны разности потенциалов выводов 1 и 2 вторичной обмотки трансформатора, т.е. U₁₃+ U₃₂= 2U₂(см.Рис.2.1).

В сравнении со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном ток во вторичной обмотке трансформатора не содержит постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, вследствие чего подмагничивание сердечника в данном случае отсутствует, тепловые потери при этом уменьшаются.

С учетом этого применение двухполупериодной схемы выпрямления более предпочтительно, чем однополупериодной.

Снижение обратного напряжения, воздействующего на диод в непроводящую часть периода, и уменьшения расчетной мощности трансформатора при двухполупериодном выпрямлении переменного тока можно достигнуть при переходе от однотактной схемы к двухтактной (мостовой) схеме.

Выпрямитель, выполненный по мостовой схеме (Рис.2.3), позволяет получить двухполупериодное выпрямление переменного тока при полном использовании мощности трансформатора, не имеющего вывода от вторичной обмотки.

В этой схеме в течение полупериода, когда потенциал вывода «а» вторичной обмотки трансформатора будет выше потенциала его вывода «в», ток пропускает диоды 1 и 3. При этом диоды 2 и 4 находятся в закрытом состоянии. В следующий полупериод будет проводить ток соответственно диоды 2 и 4 (цепь тока указана пунктирными стрелками), а диоды 1 и 3 находятся в непроводящем состоянии.

Рис.2.3

Из схемы (Рис.2.3) видно, что направление тока в цепи нагрузки (Rн) в течение обоих полупериодов переменного напряжения при этом не меняется.

Таким образом, рассматриваемая схема является схемой двухполупериодного выпрямления. Значение среднего выпрямленного напряжения на нагрузке и коэффициента пульсации для выпрямителя (Рис.2.3) определяются так же как и для одноактного двухполупериодного выпрямителя.

Данная схема выпрямления позволяет получить заданное выпрямленное напряжение при числе витков вторичной обмотки трансформатора, вдвое меньше, чем в одноактной двухполупериодной схеме выпрямления (Рис.2.1) при прочих равных условиях.

Так как во вторичной обмотке трансформатора в рассматриваемой схеме протекает не пульсирующий, а синусоидальный переменный ток, это позволяет уменьшить габариты трансформатора по сравнению с трансформатором для питания одноактного двухполупериодного выпрямителя, рассчитанного на ту же мощность, приблизительно в 1,5 раза.

Значение максимального обратного напряжения при одинаковом выпрямленном напряжении U_d для мостовой схемы (Рис.2.3) также оказывается в два раза меньше, чем для одноактной двухполупериодной схемы выпрямления (Рис.2.1).Мостовые схемы позволяют осуществлять выпрямление переменного тока в постоянный без использования согласующего трансформатора при непосредственном подведении сетевого переменного напряжения к вентильному мосту, когда напряжение питающей сети находится в соответствии с выпрямленным напряжением.

Задания по работе.

1. Ознакомится со схемами Рис.7.1, 7.3 блока для исследования полупроводниковых выпрямителей лабораторной установки по электронике.

2. Собрать электрические схемы.

3. Исследовать однотактный двухполупериодный выпрямитель.

4. Исследовать двухтактный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель.

5. Составить краткие выводы по работе.

Методические указания по выполнению работы.

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой (Рис.2.1,2.3) для исследования двухполупериодной однотактной и двухполупериодный (мостовой) выпрямительной схемой на полупроводниковых диодах, а также с необходимыми для выполнения работы измерительными приборами и оборудованием.

2. Подготовить установку к проведению исследований:

а) подключить цифровой амперметр для измерения выпрямленного тока нагрузки;

б) подключить цифровой вольтметр для измерения выпрямленного напряжения на нагрузке;

в) подключить осциллограф для наблюдения и регистрации формы выпрямленного напряжения на нагрузке;

г) подключить источник регулируемого переменного напряжения, с помощью которого установить напряжение на входе выпрямительного устройства U₁ = 220В и при проведении опытов поддерживать его неизменным.

3. Исследовать выпрямитель, собранный по однотактной двухполупериодной схеме (Рис.2.1) :

а) включить напряжение питания установки и измерительных приборов – цифровых амперметра, вольтметра и осциллографа;

б) установить на экране осциллографа необходимый размер осциллограммы и зафиксировать ее; зарисовать на кальке в масштабе осциллограммы и записать показания всех измерительных приборов и внести в табл.2.1

Осциллограммы всех последующих опытов должны быть зарисованы в принятом масштабе при неизменной частоте генератора развертки осциллографа.

4. Снять внешнюю характеристику U_d=f(I_d) двухполупериодного однотактного выпрямителя при U₁= const, регистрируя выпрямленные напряжения и ток при изменении сопротивления нагрузки.Результаты измерений нанести на график. Аналогично и для двухполупериодного двухтактного выпрямителя.

5. Провести обработку результатов измерений:

а) для выпрямительных схем двухполупериодного одно-и двухтактного режимов рассчитать значение коэффициента пульсаций, используя измеренные значения напряжений U₂ и U_d;

б) для тех же схем по измеренному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора определить расчетные значения выпрямленных тока и напряжения на нагрузке U_dp и I_dp и сравнить их значения с опытными значениями U_d и I_d.

Таблица 2.1

Номера измерений	ИЗМЕРЕНИЯ	ВЫЧИСЛЕНИЯ
Тип фильтра	U1,В	2U2,В	Ud,В	Id,mA	Rн, Ом	U2m,В	q	Udp,В	Idp,mA

Примечание:В таблице U₁ – напряжение питающей сети;

U₂U_2m – половина действующего напряжения на вторичной обмотке согласующего трансформатора и его амплитудное значение;

U_d, I_d – измеренные выпрямленные значения напряжения и токи нагрузки;

U_dp, I_dp – расчетные выпрямленные значения напряжения и тока нагрузки;

R_н – сопротивление нагрузочных резисторов;

q- коэффициент пульсаций напряжения и тока нагрузки.

Контрольные вопросы.

1. Поясните назначение выпрямительных устройств.

2. Укажите какие требования предъявляются к диодам, используемым в выпрямительных устройствах?

3. Назовите основные типы однофазных выпрямительных схем.

4. Объясните отличие однотактной схемы выпрямления от двухтактной схемы.

5. Поясните принцип действия двухполупериодной однотактной схемы выпрямления.

6. Изобразите временные диаграммы напряжений и токов нагрузки для двухполупериодной однотактной схемы выпрямления.

7. Поясните принцип действия двухполупериодной двухтактной схемы выпрямления.

8. Изобразите временные диаграммы напряжений и токов нагрузки для двухполупериодной двухтактной схемы выпрямления.

9. Каково значение коэффициента пульсаций напряжения и тока исследуемой схемах выпрямления?

10. Поясните назначение согласующего трансформатора в выпрямительных схемах.