Материалы для подготовки к работе. Исследование работы мостового выпрямителя

Исследование работы мостового выпрямителя

Цель работы:

Анализ процессов в схемах выпрямительного диодного моста. Исследование осциллограмм входного и выходного напряжения для выпрямительного моста.

Для питания электронной аппаратуры, электродвигателей постоянного тока, электролизных и других установок возникает необходимость в выпрямлении переменного тока в постоянный. Под выпрямлением понимается процесс преобразования переменного тока в постоянный с помощью устройств, обладающих односторонней проводимостью (электрических вентилей).

Выпрямительные устройства обычно состоят из трех основных элементов (рис. 12.1): трансформатора, электрического вентиля и сглаживающего фильтра. Трансформатор позволяет изменять значение переменного напряжения, получаемого от источника питания до значения требуемого выпрямленного напряжения. Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсации выпрямленного тока и напряжения на выходе выпря­мительных устройств.

Рис. 12.1. Структура выпрямительного устройства

Выпрямление переменного тока осуществляется электрическим вентилем. Вентиль преобразует переменное напряжение в пульсирующее, что обес­печивается его свойством односторонней проводимости. При прямом напря­жении вентиль имеет сопротивление, близкое к нулю, а при обратном напря­жении его сопротивление становится очень большим.

Электрические вентили по своим вольтамперным характеристикам подразделяют на две группы. К первой относят вакуумные электронные и полупроводниковые диоды. Ко второй относят газоразрядные (ионные) приборы. Однако в настоящее время большинство выпрямителей выполняют на полупроводниковых диодах германиевых и кремниевых. Силовые полупроводниковые вентили по сравнению с другими имеют ряд преимуществ: более высокий КПД, постоянная готовность к работе, большой срок службы, малая масса и габариты, высокая надежность.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (рис. 12.2,б) отличается от идеальной характеристики вентиля (рис. 12.2, а), так как при обратном напряжении диод проводит ток. Однако у хороших полупроводниковых диодов обратные токи весьма малы и несущественно влияют на работу выпрямителя.

а) б)

Рис. 12.2. Вольт-амперная характеристика:

а – идеальная характеристика вентиля

б – полупроводникового диода

При выпрямлении переменного тока в зависимости от числа фаз сети, питающей выпрямительное устройство, и характера на­грузки, а также требований, предъявляемых к выпрямленным то­ку и напряжению, электрические вентили могут быть соединены по различным схемам.

На рис. 12.3 представлена простейшая схема однополупериодного выпрямителя, в состав которой входят трансформа­тор Тр, вентиль Д и активная нагрузка R. Диаграммы напряжений и тока в схеме однополупериодного выпрямителя показаны на рис. 12.4.

Рис. 12.3. Схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 12.4. Диаграммы напряжений и тока в схеме однополупериодного выпрямителя

Ток в цепи нагрузки, включенной последовательно с вентилем, прохо­дит лишь в те моменты времени, когда к вентилю приложено прямое напряжение. Каждые полпериода напряжение вторичной обмотки трансформатора меняет свой знак. Поэтому в течение одной половины пе­риода к вентилю прикладывается прямое напряжение, в течение сле­дующего полупериода — обратное.

Через вентиль и нагрузку ток проходит только в одном (прямом) направлении, т. е. ток в нагрузке получается постоянным по направле­нию, но пульсирующим. Выпрямленное напряжение совпадает по форме с выпрямленным током. Частота пульсаций выпрямленного напряже­ния равна частоте сети.

Пульсирующие ток и напряжение содержат постоянные состав­ляющие. Среднее за период значение выпрямленного (пульсирующе­го) напряжения, т. е. его постоянная составляющая, определяется ве­личиной , где - амплитудное значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора, или , где U ₂ – действующее значение напряжения.

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к вентилю, равно амплитудному значению :

.

Качество выпрямителя характеризуется отношением постоянной со­ставляющей выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения: U ₀/ U ₂. Чем больше значение этого отноше­ния, тем выше качество схемы выпрямителя. Для однополупериодного выпрямителя U ₀/ U ₂ = 0,45.

Важным требованием к выпрямителю является снижение пере­менной составляющей выпрямленного напряжения при получении постоянной составляющей. Выполнение этого требования характери­зуется коэффициентом пульсаций К _п, равным отношению амплитуд­ного значения переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей: К _п= U _m/ U ₀.

Коэффициент пульсаций часто определяют по первой гармонике: К _п1= U _m1/ U ₀, где U _m1 амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя К _п1=l,57.

К выпрямителям предъявляется также требование, касающееся режима работы вентилей: обратное напряжение, прикладываемое к закрытым вентилям, не должно намного превышать выпрямленное напряжение. Выполнение этого требования характеризуется отноше­нием максимального значения обратного напряжения к среднему зна­чению выпрямленного: . Для однополупериодного выпрямителя: .

К недостаткам однополупериодной схемы выпрямления следу­ет отнести значительные пульсации выпрямленных тока и напря­жения, а также недостаточно высокое использование трансформа­тора, так как по его вторичной обмотке при этом протекает ток только в течение полупериода. Выпрямители подобного типа при­меняют главным образом в маломощных установках, когда вы­прямленный ток мал, а достаточно удовлетворительное сглажива­ние пульсаций может быть обеспечено с помощью фильтра.

На практике часто используют различ­ные схемы двухполупериодных выпрямителей.

Рис. 12.5. Схемы двухполупериодного выпрямителя:

а – с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора;

б – мостовая схема

На рис. 12.5, а, б представлены схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора и мостовая схема. Наиболее распространена из них мостовая схема, в которой не требуется трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки, что по­зволяет получить двухполупериодное выпрямление переменного тока при полном использовании мощности трансформатора,

Четыре вентиля схемы образуют мост, к одной диагонали которого присоединяются концы вторичной обмотки трансформатора, а к дру­гой нагрузка выпрямителя. Вентили в схеме работают поочередно по­парно: при положительной полуволне напряжения U ₂ которая соответст­вует прямому напряжению вентиля Д1, ток проходит через Д1, нагруз­ку и Д3, апри отрицательной полуволне напряжения U ₂соответствую­щей прямому напряжению вентиля Д2 ток проходит через Д2, нагрузку и Д4. На рис. 12.6 представлены диаграммы напряжений и тока в мосто­вой схеме. Частота пульсаций выпрямленного напряжения здесь в два раза больше, чем в однополупериодной схеме, что увеличивает среднее значение выпрямленного напряжения: .

Коэффициент пульсаций выпрямленного на­пряжения по первой гармонике К _п1= 0,667.

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к закрытым вентилям, равно амплитудному значению напряжения , так как падение напряжения на открытых вентилях близко к нулю, т. е. .

Рис. 12.6. Диаграммы напряжений и тока в мосто­вой схеме

Простейшие схемы выпрямителей имеют большой коэффициент пуль­саций выпрямленного напряжения. Поэтому далее предусматривают сглаживающие фильтры.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения можно значительно снизить, если на выходе выпрямителя включить сглаживающий электрический фильтр. Простейшими сглажи­вающими фильтрами являются конденсатор, включаемый парал­лельно слаботочной нагрузке (рис. 12.7, а) и дроссель, включаемый последовательно с сильноточной нагрузкой (рис. 12.7, б).

а) б)

Рис. 12.7. Схемы простейших сглажи­вающих фильтров

Другие фильтры (комбинированные), представляющие собой сочетания емкостных и индуктивных элементов, позволяют полу­чить достаточно малые значения коэффициента пульсации.

При использовании простейшего емкостного фильтра сгла­живание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происхо­дит за счет периодической зарядки конденсатора фильтра С (когда напряжение на выходе трансформатора превышает напря­жение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивле­ние нагрузки R_н.

Конденсатор, как известно, не пропускает постоянной состав­ляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота. Емкостные фильт­ры предпочтительно применять в схемах выпрямления с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки — дросселя, включаемого последователь­но с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает электродвижущая сила само­индукции ,которая в силу закона электромагнитной ин­дукции стремится сгладить пульсации тока в цепи нагрузки, а следовательно, и пульсации напряжения на ее зажимах. Индук­тивные фильтры обычно применяют в схемах выпрямления с большими значениями выпрямленного тока, так как в этом слу­чае увеличивается эффективность сглаживания.

Качество фильтра оценивают коэффициентом сглаживания К _сгл= К _п.вх/ К _п.вых, где К _п.вх и К _п.вых – коэффициенты пульсаций выпрямителя на входе и выходе фильтра. Чем больше К _сгл тем эффективнее работает фильтр.

При работе выпрямителя часть выпрямленного напряжения падает на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора, на прямом сопротивлении открытого вентиля, на элементах сглаживаю­щего фильтра. С увеличением выпрямленного тока I ₀ подобные поте­ри напряжения увеличиваются, а напряжение на нагрузке U ₀ умень­шается. Зависимость U ₀ = f (I ₀) называют внешней характеристикой выпрямителя (рис. 12.8). Чем меньше изменяется напряжение на на­грузке U ₀ при изменении тока I ₀, тем выше качество выпрямителя.

12.8. Внешняя характеристика выпрямителя

Дата добавления: 2014-11-29