Однофазный выпрямитель

6) Как называются электроды транзистора? Как он обозначается на схемах?

Работа № 3-3. ОДНОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ.

1.  Цель работы

Ознакомиться с принципом работы и основными свойствами однофазного двухполупериодного выпрямителя, изучить влияние сглаживающих фильтров на работу выпрямительного устройства.

2.  Описание лабораторной установки

Лицевая панель лабораторного модуля представлена на рис.3.3.1

На лицевой панели изображена электрическая схема однофазного мостового выпрямителя, установлены коммутирующие элементы (переключатели) SA и гнезда для подключения амперметра, вольтметра и осциллографа.

3.  Теоретические положения. Принцип действия. Характеристики.

Выпрямительные устройства служат для преобразования переменных напряжений и токов в постоянные. Необходимость в таком преобразовании возникает достаточно часто, например, при электропитании разнообразной электронной аппаратуры, электродвигателей постоянного тока, электролизных установок, электродуговых плавильных печей, в устройствах для заряда аккумуляторных батарей, в автомобилях при питании бортовой сети постоянного тока от генератора переменного тока.

Выпрямительные устройства обычно состоят из трансформатора, одного или нескольких электрических вентилей (диодов) и сглаживающего фильтра. Трансформатор служит для получения требуемого значения выпрямляемого напряжения. Электрические вентили — устройства, обладающие свойством односторонней проводимости электрического тока, служат для непосредственного преобразования переменного напряжения в пульсирующее напряжение – напряжение, которое с течением времени изменяет только свое значение, а полярность его остается неизменным. (У переменного изменяются и значение и полярность, у постоянного ничего не меняется). Чаще всего в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые диоды. Сглаживающие фильтры применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения на выходе выпрямительного устройства.

При выпрямлении переменного напряжения в зависимости от числа фаз выпрямляемого напряжения, характера нагрузки и требований, предъявляемых к выпрямительному току и напряжению, электрические вентили могут соединяться по различным схемам. Наибольшее применение при выпрямлении однофазного напряжения получила двухполупериодная мостовая схема выпрямления.

Мостовая двухполупериодная схема выпрямления содержит две пары диодов, включенных по схеме четырехплечного моста (рис. 3.3.2). В течение каждого полупериода ток проходит последовательно через два диода в противоположных плечах моста. В один полупериод входного напряжения ток протекает от клеммы «А» через диод VD1, нагрузку RH, диод VD3, к клемме «В». В следующий полупериод полярность выпрямляемого напряжения меняется и ток идет от клеммы «В», через диод VD2, нагрузку RH, диод VD4 к клемме «А».

Рисунок 3.3.2 Рисунок 3.3.3

Таким образом в любой момент времени ток через нагрузку протекает в одном направлении как указано на схеме. Его графическое представление изображено на рисунке 3.3.3 и может быть разложена в гармонический ряд Фурье: , где и – амплитудное значение и частота выпрямляемого тока.

Из последнего уравнения видно, что пульсирующий ток можно представить суммой постоянной составляющей (независимой от времени) тока и переменных (зависимых от времени) составляющих так называемых гармоник различной амплитуды и частоты.

Постоянная составляющая напряжения Ud на нагрузке RH (среднее значение выпрямленного напряжения) на основании закона Ома равно

Ud = Id Rн =2I2m Rн/π =2 U2m /π=2U2/π≈0,9U2,

где U2m и U2 амплитудное и действующее значения выпрямляемого напряжения.

Для оценки влияния переменных составляющих на выпрямленное напряжение (ток) вводят понятие коэффициента пульсаций q, под которым понимают отношение амплитуды наибольшей переменной составляющей (гармоники) к постоянной составляющей:

q =

Его значение зависит от схемы выпрямителя и от сглаживающего фильтра. Чем он меньше, тем лучше, так как форма выпрямленного напряжения по форме ближе к идеальному постоянному напряжению. Частота пульсаций (частота основной гармонической переменной составляющей выпрямленного напряжения) в этой схеме равна то есть двойной частоте напряжения источника питания.

Напряжение, приложенное к диоду в непроводящий полупериод — обратное напряжение, определяется значением выпрямляемого напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр. макс. равно амплитудному значению выпрямляемого напряжения U2m:

Uo6p макс = U2m= U2 =1,57Ud

 Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения, то есть коэффициента пульсаций, включают электрический сглаживающий фильтр. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор Сф, включаемый параллельно слаботочной нагрузке RH (рис.3.3.4) и индуктивный фильтр Lф (дроссель), включаемый последовательно с сильноточной нагрузкой RH (рис.3.3.5).

Рисунок 3.3.4

На рисунке обозначено пунктирной линией выпрямленное напряжение ud на нагрузке при отсутствии конденсатора Сф, а сплошной линией — при подключенном конденсаторе Сф.

При использовании емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки RH. Зарядка конденсатора происходит, когда мгновенное значение вторичного напряжения трансформатора выше напряжения на нагрузке (и на конденсаторе), а когда напряжение трансформатора становится меньше напряжения на конденсаторе, диоды закрываются и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки (рис. 3.3.4). Далее процесс повторяется. При включении емкостного фильтра напряжение пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения. В режиме холостого хода Ud =U2m.

Емкость конденсатора для фильтра выбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения емкостное сопротивление конденсатора ХCФ было значительно меньше сопротивления нагрузки RH.

ХCФ =l/2πfoгСф < 10 RН,

где foг = частота основной гармоники.

Отсюда видно, что применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомной нагрузке с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.

Эффективность фильтров оценивают коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q= КПвх / КПвых

Рисунок 3.3.5

При включении индуктивного фильтра последовательно с нагрузкой изменяющееся магнитное поле, возбуждаемое пульсирующим током, наводит в соответствии с законом электромагнитной индукции электродвижущую силу самоиндукции eL = — Lф (d/dt).

Рисунок 3.3.5

Электродвижущая сила направлена так, чтобы сгладить пульсации тока в цепи, следовательно, и пульсации напряжения на нагрузке RH. Эффективность сглаживания увеличивается при больших значениях выпрямленного тока.

Величину индуктивности фильтра выбирают таким образом, чтобы индуктивное сопротивление фильтра ХLФ было значительно больше величины сопротивления нагрузки RH :

ХLФ = 2π fогLф > 10 RH.

Большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивают смешанные фильтры, в которых используются и конденсаторы и индуктивности, например, Г-образные и П-образные сглаживающие фильтры.