Лабораторный практикум. Изучение однополупериодного выпрямителя
учебно-методический материал

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Тема: “ Изучение однофазного  однополупериодного выпрямителя ”

Цель работы: знакомство с однополупериодными выпрямителями, их назначением, классификацией и основными параметрами, вариантами принципиальных схем и методикой расчета, практическое исследование однополупериодных выпрямителей.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В маломощных источниках питания   обычно используют однофазные выпрямители. Выпрямители характеризуются основными параметрами:

∙ среднее значение выходного напряжения uвых:

Uср = ,                                   (1)

где Т – период напряжения сети (для промышленной частоты сети – 20 мс (частота 50 Гц);

∙ среднее значение выходного тока iвых:

Iср =      ;                                   (2)

∙ коэффициент пульсаций выходного напряжения:

ε= ;    ε% = 100%,                       (3)

где Um– амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения.

Названные параметры являются наиболее важными при характеристике выпрямителя.

В однофазном однополупериодный выпрямителе (рис. 1)    ток через нагрузку протекает только в течении одного полупериода синусоидального напряжения. Основные параметры выпрямителя с учетом выражений (1) ÷ (3) можно представить в виде:

Рис. 1

Т1

I

II

Rн

VD1

uвх

uвых

UVD1

iвых

Uср = ≈ 0,45Uвх,

Uвх≈ 2,22 Uср;    Iср = ;

ε=  ≈ 1,57.        (4)  

Обратное напряжение на диоде (в нерабочий полупериод)

UVD1обр max = = πUср.

Существенным недостатком   выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи, которая намагничивает сердечник трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Сглаживающие фильтры

На выходе используемых выпрямителей напряжение имеет значительные пульсации. На выходе однофазного выпрямителя при входном синусоидальном напряжении напряжение периодически изменяется от нуля до амплитудного значения и представляет собой части синусоиды для одного полупериода синусоиды, чередующиеся через ее полупериод и следующие с частотой силовой сети;

Поэтому после выпрямителей включают сглаживающие фильтры – устройства, уменьшающие пульсации выходного напряжения.

Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S:

S = ,                             (8)

гдеε1, ε2 – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра, соответственно.

Коэффициент сглаживания для фильтров составляет значения в диапазоне 0,001 ÷ 0,00003.

В источниках питания могут использоваться разные варианты сглаживающих фильтров (Рис. 2).

Простейшим фильтром является емкостной фильтр С-фильтр (рис. 2а), представляющий конденсатор С1, подключаемый параллельно нагрузке Rн. Конденсатор заряжается выходным напряжением выпрямителя, и при уменьшении выходного напряжения выпрямителя ниже уровня заряда конденсатора разряжается через нагрузку. В результате этого напряжение на нагрузке не становится равным нулю при выходном напряжении выпрямителя, равном нулю, а следовательно происходит сглаживание напряжения. Если постоянная времени цепи фильтра τ = C1Rн выбрана значительно большей периода силового напряжения, то выходное напряжение будет оставаться практически постоянным при небольших его пульсациях.  

Рис. 2

С1

Rн

а)

uвх

uвых

L1

Rн

б)

uвх

uвых

L1

Rн

в)

uвх

uвых

С1

R1

Rн

г)

uвх

uвых

С1

д)

L1

Rн

uвх

uвых

С2

С1

R1

Rн

е)

uвх

uвых

С2

С1

В индуктивном фильтре L-фильтре (рис. 2б) последовательно с нагрузкой включается катушка индуктивности – дроссель. Такой фильтр дает эффект во всех выпрямителях, кроме однофазного однополупериодного. При большой постоянной времени цепи фильтра  t = L1/Rн ток в цепи нагрузки остается практически постоянным. Такой фильтр используют в мощных выпрямителях.

На практике наиболее часто используют Г-образные и П-образные фильтры выпрямителей: Г–образный индуктивно-емкостной LC-фильтр (рис. 2в); Г-образный RC-фильтр (рис. 2г); П-образный LC-фильтр (рис. 2д) и П-образный RC-фильтры (рис. 2е).

Г-образные и П-образные RC-фильтры обычно применяют только в маломощных схемах электронных устройств, так как они потребляют большую долю электрической энергии (выделяется в виде тепла на резисторе фильтра).

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Для исследования однополупериодного  выпрямителя используется моделирование его работы с помощью программы  Micro-Cap.

Соберем схему рис.1. с указанными параметрами компонентов.  

Рис.1

    Рис.2

Включив схему  для генератора с частотой 50Гц и амплитудным напряжением 10В  в режиме анализа переходных процессов (Transient analysis), получим получим осциллограммы напряжения переменного тока на выходе генератора переменного тока (точка  in)  и после выпрямления (точка Out) при однополупериодном выпрямлении.

Примерные настройки окна Transient analysis показаны на рисунке 3.

Рис.3

Зарисуем схему и осциллограммы переменного напряжения на выходе   генератора  и выпрямленного напряжения.  Используя осциллограмму и формулу (3) определим коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (Uср≈0,45Uвх).

Изучение фильтров

Соберём схему с простейшим емкостным  С-фильтром (рис. 4), представляющий конденсатор С1, подключаемый параллельно нагрузке Rн.. Если постоянная времени цепи фильтра τ = C1Rн выбрана значительно большей периода силового напряжения, то выходное напряжение будет оставаться практически постоянным при небольших его пульсациях.  

Рис.4

Постепенно увеличивая ёмкость конденсатора фильтра от 50 мкФ. найдём значениё ёмкости при котором пульсации практически исчезают (по наблюдениям на осциллограмме).  Представить осциллограмму выходного напряжения при емкости конденсатора фильтра 50мкФ и при подавлении пульсаций. На рисунке 5 показана осциллограмма напряжения при емкости конденсатора фильтра 100мкФ.

Рис.5

Сделаем вывод. Уменьшая сопротивление нагрузки, изучим зависимость величины пульсаций от  сопротивления нагрузки. Сделаем выводы.

Изучить аналогично работу фильтров других типов и оценить их эффективность.

Контрольные вопросы

1. Нарисовать схему однофазного однополупериодного выпрямителя и объяснить его работу.
2. Какие параметры характеризуют  работу  выпрямителя.
3. Назначение и виды выходных фильтров выпрямителей.
4. В чем состоит методика определения коэффициента пульсаций в работе.