Описание лабораторной установки. Лабораторная работа выполняется на стенде «Основы электроники»

Лабораторная работа выполняется на стенде «Основы электроники». Для проведения работы используется оборудование стенда: модуль питания, модуль мультиметров, модуль миллиамперметров, модуль однофазного выпрямителя.

Модуль питания стенда предназначен для ввода напряжения сети 220 В, 50 Гц в лабораторный стенд, защиты стенда от токов короткого замыкания и подачи сетевого и низковольтных напряжений питания на модули стенда. Модуль питания содержит автоматический выключатель QF, при включении которого подается питание на все модули стенда; вторичный источник питания на напряжения +12 В, –12 В, +5 В, контрольный гнёзда которых выведены на переднюю панель модуля. На передней панели имеется также индикация подачи на модули стенда однофазного напряжения сети 220 В и низковольтных напряжений питания +12 В, –12 В, +5 В.

Модуль цифровых мультиметров предназначен в лабораторной работе для измерения постоянного и переменного напряжений. Для этого переключатель функций мультиметра поставить в положение измерения постоянного напряжения «V–» или переменного «V~».

Модуль миллиамперметров предназначен для выполнения измерений постоянных токов. Содержит два многопредельных миллиамперметра, выполненных на основе микроамперметров. Переключателем, расположенным под каждым миллиамперметром, изменяется диапазон измерения тока прибора: 0,1 мА (х1), 1 мА (х10), 10 мА (х100), 100 мА (х1000).

На рис. 2.16 представлена лицевая панель лабораторного модуля «Однофазный выпрямитель». На панели изображена электрическая схема однофазного мостового выпрямителя, показаны коммутирующие элементы и клеммы для подключения амперметра, вольтметра и осциллографа. Выпрямитель содержит трансформатор Тр, блок полупроводниковых диодов VD1 ‑ VD4, сглаживающие фильтры L и C и нагрузку R_н. Тумблерами SA3 и SA4 можно подключать фильтры и перестраивать их к индуктивному L, емкостному C или индуктивно-емкостному LC фильтрам.

Рис. 2.16. Лицевая панель модуля выпрямителей

Расчетное задание

Произвести расчет основных параметров и характеристик мостовой схемы выпрямления, данные элементов которой приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Трансформатор

Диоды

Фильтр

Нагрузка, кОм

U1н, В

n

Rтр, Ом

Uпр, В

Uобр max, В

Iпр, А

Lф, Гн

Cф, мкФ

Rd0

Rd1

Rd2

Rd3

Rd4

Rd5

Rd6

1,0

0,5

0,2

∞

1,3

1,1

0,8

0,51

0,36

0,21

В табл. 2.1: U_1н – действующее значение напряжения на первичной обмотке трансформатора; n = U_1н/U₂ – коэффициент трансформации трансформатора; R_тр – активная составляющая сопротивлений обмоток трансформатора; I_{пр. ср.} – средний прямой ток диода; U_пр – падение напряжения на открытом диоде; U_{обр max} – максимально допустимое обратное напряжение на диоде; L_ф – индуктивность дросселя фильтра; C_ф – емкость конденсатора фильтра; R_d0, …, R_d6 – сопротивления нагрузки.

4.1. Рассчитать по известным соотношениям (табл. 2.2) основные параметры однофазного мостового выпрямителя: U₂ и U_2m – действующее и максимальное значения напряжений вторичной обмотки трансформатора; U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения на холостом ходу; I_d – среднее значение выпрямленного тока при заданной нагрузке R_d, I_a – среднее значение тока диода, U_3max – максимальное значение обратного напряжения на диоде, I₂ и I_2m – действующее и амплитудное значения тока во вторичной обмотке трансформатора; P_d – значение активной мощности на нагрузке, S₂ – расчетное значение полной мощности вторичной обмотки. Результаты расчетов занести в табл.2.3.

Таблица 2.2

Схема	Расчетные соотношения параметров
U2/Ud0	I2/Id	U3max/U2	I2m/I2	Ia/Id	S2/Pd
Мостовая	1,11	1,11			0,5	1,23
Нулевая	1,11	0,785			0,5	1,74

Таблица 2.3

Параметр	Rd кOм	U2 B	U2m B	I2 мА	Udо B	I d мА	U3max B	I а мA	S2 BA	I2m мА
Расчет
Эксперимент

4.2. По результатам расчетов п. 4.1. построить с соблюдением масштаба временные диаграммы напряжения u₂ на вторичной обмотке трансформатора, выпрямленного напряжения u_d, выпрямленного тока i_d, тока i₂ вторичной обмотки трансформатора, обратного напряжения на диодах u_1,3 и u_2,4 и тока i_a диода. Пример построения временных диаграмм показан на рис. 2.7.

На временных диаграммах указать название диаграммы, период T_c и частоту f_c сетевого напряжения, период T_п и частоту f_п выпрямленного пульсирующего напряжения, действующие и амплитудные значения токов и напряжений.

4.3. Рассчитать коэффициент пульсаций q_р и коэффициент сглаживания S_p выпрямленного напряжения U_d при подключении разных типов электрических сглаживающих фильтров. Расчетное значение q_p определяется по формулам табл. 2.4.

Таблица 2.4

Тип фильтра	Отключен	Lф	Cф	LфCф
qp

В табл. 2.4: ω_c = 2πf_с – угловая частота сети, f_с = 50Гц.

Расчетное значение S_p определяется соотношением S_p = q_вх/q_вых, где q_вх – коэффициент пульсаций на входе фильтра, q_вых = q_p – коэффициент пульсаций после фильтра на нагрузке R_d.

Полученные результаты вычислений q_p и S_p занести в таблицу 2.5.

Таблица 2.5

R d = ,Ом	Параметр	Тип фильтра
отключен	Lф	СФ	Lф Сф
Расчет	q р
S р
Эксперимент	Ud~, B
Ud, B
q э
Sэ

4.4. Рассчитать и построить внешнюю характеристику U_d = f(I_d) исследуемого выпрямителя при работе без фильтра.

Внешнюю характеристику выпрямителя рассчитать по уравнению

U_d = U_d0 – R_трI_d – ΔU_a,

где ΔU_a = NU_пр – падение напряжения на диодах одного плеча выпрямителя. Для нулевой схемы выпрямления N = 1, для мостовой – N = 2. Расчет выполнить по данным табл. 2.1 и 2.3. Внешняя характеристика строится по двум точкам:

1) Режим холостого хода. I_d = 0, U_d = U_d0;

2) Режим максимальной нагрузки. I_d6 = U_d0/R_d6, U_d6 = U_d0 – R_трI_d6 ‑ ΔU_a.

Экспериментальная часть

5.1. Для проведения экспериментальных исследований собрать монтажную схему (рис. 2.17). Для этого присоединить к исследуемому модулю амперметр постоянного тока для измерения выпрямленного тока I_d нагрузки. Переключатель пределов амперметра поставить в положение «x 1000». При этом предел измерения амперметра становится равным I_ном = 100мА. Мультиметр перевести в режим измерения переменного напряжения на пределе «200 В». Включить электропитание стенда (модуль питания), включить питание модуля (выключатель SA1) и включить осциллограф для наблюдения форм напряжений.

5.2. Измерить параметры выпрямителя в режиме холостого хода (ключ SA2 разомкнут) и результаты измерения занести в таблицу 2.3.

Мультиметром измерить напряжение U₂ на вторичной обмотке трансформатора. Подключить к вторичной обмотке трансформатора вместо мультиметра осциллограф и измерить амплитудное значение выпрямляемого напряжения U_2m. Зарисовать осциллограмму напряжения U₂ с указанием масштаба по времени и напряжению.

Рис. 2.17. Монтажная схема эксперимента

Подключить осциллограф к одному из диодов (VD1 или VD2), измерить величину максимального обратного напряжения на диоде U_вmax, зарисовать в том же масштабе осциллограмму напряжения на диоде.

Перевести мультиметр в режим измерения постоянного напряжения на пределе «20 В», подключить мультиметр к выходным зажимам выпрямительного моста и измерить среднее значение выпрямленного напряжения U_d0 в режиме холостого хода выпрямителя.

5.3. Измерить параметры выпрямителя при работе под нагрузкой. Полученные данные занести в таблицу 2.3.

Замкнуть тумблер SA2, установить величину сопротивления нагрузки R_di согласно варианта. Записать значение выпрямленного тока I_d, показанное амперметром. С помощью мультиметра измерить постоянную составляющую напряжения на нагрузке U_d. По показаниям вольтметра U_d и амперметра I_d рассчитать экспериментальное значение сопротивления нагрузки R_d. Остальные параметры выпрямителя I_a, I₂, I_2m, S₂ рассчитать по известным соотношениям (п. 4.1), используя полученные ранее экспериментальные данные.

5.4. Подключить осциллограф параллельно нагрузке и зарисовать в масштабе осциллограмму выпрямленного напряжения u_d при заданной нагрузке R_di. По осциллограмме определить амплитуду пульсаций U_mп выпрямленного напряжения, период пульсаций T_п и частоту пульсаций f_п. На осциллограмме указать U_mп, T_п, U_d, написать название осциллограммы и измеренные значения: U_mп, T_п, f_п и U_d.

5.5.Исследовать работу выпрямителя при работе без сглаживающих фильтров и при их подключении.

При отключенных фильтрах установить заданное значение нагрузки R_di. Подключить мультиметр параллельно нагрузке и замерить постоянную U_d и переменную U_d~ составляющие выпрямленного напряжения. Результаты измерений занести в таблицу 2.5.

По результатам измерений определить экспериментальный коэффициент пульсаций q_э = U_d~/U_d.

Исследовать влияние на выпрямленное напряжение емкостного, индуктивного и индуктивно-емкостного сглаживающих фильтров. Для этого подключить осциллограф параллельно нагрузке и зарисовать в прежнем масштабе осциллограммы выпрямленного напряжения на нагрузке U_d при каждом включенном фильтре. С помощью мультиметра замерить на нагрузке постоянную U_d и переменную U_d~ составляющие выпрямленного напряжения для каждого фильтра. Для каждого случая рассчитать коэффициент пульсаций q_э. Эффективность работы фильтров оценить по величине коэффициента сглаживания S_э = q_вх/q_вых. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 2.5.

5.6.Определить индуктивность сглаживающего дросселя, используя выражение

,

где R_d определяется из известных U_d и I_d, , =50 Гц.

Таблица 2.6

Тип фильтра	Параметр	Нагрузка
Rd0	Rd1	Rd2	Rd3	Rd4	Rd5	Rd6
Отключен	Ud, B
Id, мА
Индуктивный	Ud, B
Id, мА
Емкостный	Ud, B
Id, мА
Индуктивно-емкостный	Ud, B
Id, мА

5.7.Снять внешние характеристики U_d = f(I_d) мостового выпрямителя при отсутствии фильтра, при емкостном, индуктивном и индуктивно-емкостном фильтрах. Для этого, изменяя с помощью переключателя SA6 величину сопротивления нагрузки R_н, измерять величину выпрямленного напряжения U_d и выпрямленного тока I_d при каждом сопротивлении нагрузки. Результаты измерений занести в таблицу 2.6.

5.8. Построить графики внешних характеристик на тех же осях, что и расчетная внешняя характеристика.

Содержание отчета

6.1. Наименование и цель работы.

6.2. Принципиальная электрическая схема, технические данные элементов мостового выпрямителя.

6.3. Расчетные формулы, результаты расчетов. Временные диаграммы токов и напряжений. График внешней характеристики.

6.4. В экспериментальной части привести результаты измерений, произведенных расчетов. Осциллограммы напряжений, графики внешних характеристик.

6.5. В выводах сравнить результаты расчетов и экспериментов. Оценить эффективность работы сглаживающих фильтров. Сравнить внешние характеристики при работе без фильтров и при включении различных видов сглаживающих фильтров.

Контрольные вопросы

1.Какие функции выполняют в выпрямителях силовой трансформатор, блок диодов и сглаживающий фильтр?

2.При каких условиях полупроводниковые диоды выпрямителей работают в режиме замкнутого, при каких – разомкнутого ключа?

3.Изменится ли полярность выпрямленного напряжения при изменении полярности подключения первичных или вторичных обмоток трансформатора?

4.Почему индуктивность в фильтрах включают последовательно, а конденсатор – параллельно нагрузке?

5.Какие элементы (их параметры) определяют наклон (жесткость) внешней характеристики выпрямителя?

6.Какие элементы схемы выбираются по действующему, среднему или амплитудному значению тока (напряжения)?

7.Какой формы ток потребляется выпрямителем из сети при различных фильтрах, с чем это связано?

8. Чем объясняются различия в виде внешних характеристик выпрямителей с различными фильтрами?

Лабораторная работа №3