Общие сведения. Эффект выпрямления переменного тока в электрической цепи достигается включением в нее нелинейного элемента с несимметричной (относительно начала координат)

Эффект выпрямления переменного тока в электрической цепи достигается включением в нее нелинейного элемента с несимметричной (относительно начала координат) характеристикой для мгновенных значений. В качестве таких элементов обычно используют электрические вентили - полупроводниковые приборы, проводимость которых значительно зависит от направления тока.

Рис. 1

Рис. 2

На рис. 1 показаны ВАХ реального (а) и идеального (б) вентилей. Схема однополупериодного выпрямителя показана на рис. 2. Вершина треугольника в обозначении (символе) диода указывает направление наибольшей проводимости, соответствующее участку ВАХ, расположенному в первом квадранте на рис. 1.

При синусоидальном напряжении ток в цепи не будет синусоидальным. Зависимость тока от времени можно построить графически.

На рис. 3 кривая 1 - ВАХ вентиля, прямая 2 - ВАХ резистора, их сумма по второму закону Кирхгофа - кривая 3.

В нижней системе координат построена кривая , а в правой - зависимость тока от , точки которой определяются следующим образом: задаются несколькими значениями в нижней и правой системах координат (на рис. 3 показаны только и ), по кривой в нижней системе для выбранных значений находят соответствующие им значения , которые переносят на ВАХ цепи (кривая 3), а найденные по ней значения тока для выбранных переносят в правую систему координат. Определение положения для точек А и В для и ясно из рис. 3.

Если вентиль идеальный, то значение прямого тока определяется только сопротивлением нагрузки , а обратный ток равен нулю.

В этом случае несинусоидальный ток можно представить рядом Фурье:

, (1)

где - максимальное значение выпрямленного тока.

Рис. 3

Из разложения в ряд видно, что постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники тока соответственно равны

и . (2)

Действующее значение переменного тока

. (3)

Для выпрямителя с идеальным вентилем и резистивной нагрузкой

. (4)

Напряжение на нагрузке также несинусоидальной формы. При известных гармонических составляющих разложения в ряд Фурье действующее значение напряжения на нагрузке

, (5)

где - постоянная составляющая напряжения на нагрузке, - квадрат действующего значения переменной составляющей напряжения на нагрузке.

В эксперименте постоянная составляющая тока измеряется амперметром магнитоэлектрической системы, а амплитуда первой гармоники определяется расчетным путем.

Активная мощность источника равна мощности нагрузки и определяется только первой гармоникой тока (т. к. в напряжении источника других гармоник нет).

, (6)

где U - действующее значение приложенного к цепи напряжения,

P - активная мощность энергии, отдаваемой источником в цепь.

Из (2), (4) и (6) следует

, (7)

В эксперименте действующее значение тока измеряется амперметром, встроенным в модуль измерителя фазы, постоянная составляющая напряжения на нагрузке измеряется вольтметром магнитоэлектрической системы, а переменная составляющая измеряется вольтметром электромагнитной системы, подключенным к нагрузке через конденсатор.

На рис. 4 изображена схема двухполупериодного мостового выпрямителя с резистивной нагрузкой. ВАХ цепи с двух­полупериодным выпрямителем одинакова для положительных и отрицательных напряжений источника питания, поэтому ток в цепи источника имеет синусоидальную форму (при идеальных вентилях). Через нагрузку ток протекает всегда только в одном направлении, поэтому при расчете тока нагрузки ВАХ цепи изображают симметричной относительно оси ординат (рис. 5).

Рис. 4

Разложение зависимости тока нагрузки от времени в ряд Фурье имеет вид

. (8)

Аналогичное выражение можно записать и для напряжения на нагрузке R_Н, т. к. оно связано с током по закону Ома.

Рис. 5

При двухполупериодном выпрямлении ток через нагрузку проходит в течение обоих полупериодов, поэтому его постоянная составляющая будет в 2 раза, а действующее значение - в раз больше, чем при однополупериодном выпрямлении при тех же значениях напряжения источника и сопротивления нагрузки. Также можно отметить, что переменная составляющая напряжения (пульсации напряжения) на нагрузке у этого выпрямителя меньше.

Содержание и порядок выполнения работы

Источником постоянного напряжения является модуль ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ. Источником синусоидального напряжения является модуль ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. В работе используют измерительные приборы из блоков ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ и МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙилиМОДУЛЬ МУЛЬТИМЕТРОВ. При указании преподавателя снять осциллограмму дополнительно используется ОСЦИЛЛОГРАФ.

Пассивные элементы электрической схемы выбирают из блоков МОДУЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ. Рекомендуемые величина сопротивления нагрузки выпрямителя и частота источника питания представлены в табл. 1.

Таблица 1

Вариант
R, Ом
f, Гц

Исследование несимметричной ВАХ нелинейной цепи.

· Для исследования ВАХ собрать цепь из последовательно соединённых диода и нагрузочного сопротивления по рис. 6.

Рис. 6. Функциональная схема цепи для исследования ВАХ

· Записать в протокол параметры цепи в соответствии с вариантом.

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя. До проверки преподавателем включать цепь категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

· Включить автоматический выключатель QF и тумблер Сеть блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

· Изменяя напряжение источника питания снять ВАХ цепи для прямого включения диода при питании постоянным током. Результаты записать в табл. 1П. Обратная ветвь характеристики не исследуется – обратный ток диода принимается равным нулю.

Исследование однополупериодного выпрямителя.

· Собрать цепь для исследования однополупериодного выпрямителя по рис. 7. Для наблюдения формы напряжения на нагрузке параллельно сопротивлению подключить осциллограф.

Рис. 7. Функциональная схема цепи для исследования выпрямителя

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя. До проверки преподавателем включать цепь категорически ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ и тумблер Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Переключатель Форма установить в положение ~.

· Регулятором Амплитуда установить величину действующего значения напряжения U= 7...8 В. Регулятором Частота установить на выходе модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР частоту f (при определении частоты генератора показания частотомера не нужно умножать на множитель диапазона).

· Записать показания всех приборов в табл. 2П руководствуясь методическими указаниями.

· Срисовать осциллограмму напряжения с экрана осциллографа, указать на рисунке масштабы времени и напряжения.

· Выполнить предварительные расчеты, указанные в протоколе измерений (табл. 3П).

· Протокол измерений утвердить у преподавателя.

· Выключить тумблер Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и автоматический выключатель QF модуля питания. Разобрать цепь, прибрать рабочее место.