Исследование схем однофазных выпрямителей

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ЭЛЕКТРОНИКА

Сборник лабораторных работ

Составители: С. М. Марага,

С. Н. Сидоров

УлГТУ

Ульяновск

УДК

ББК

Рецензент проф. каф. ЭП и АПУ Кислицын А. Л.

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета УлГТУ

Электроника: Методические указания по лабораторным работам для студентов, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» / сост. С. М. Марага, С. Н. Сидоров – Ульяновск: УлГТУ, 78 с.

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины «Электроника» и содержат описание шести лабораторных работ. В работах исследуются однофазные и трехфазные выпрямительные схемы, транзисторы и однокаскадные усилители на транзисторах, логические схемы и операционные усилители.

Предназначены для студентов-бакалавриантов направления 140400 энергетического факультета очной и заочной форм обучения.

УДК

ББК

© Марага С. М., Сидоров С. Н.,

составление, 2012.

© Оформление. УлГТУ, 2012.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Исследование однофазных схем выпрямления..…………………………….4

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Исследование трехфазных схем выпрямления..…………………………...16

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Исследование транзисторов и однокаскадных усилителей…..…………………25

4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Исследование однофазных управляемых выпрямителей……………..…...41

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Исследование логических схем………………..……………………………52

6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Исследование операционного усилителя……………………..……………65

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………..……….77

Цель работы: изучение принципа действия однофазных схем выпрямления и стабилизаторов напряжения параметрического и компенсационного типов; исследование внешних характеристик при работе с различными типами фильтров и стабилизаторами напряжения; приобретение навыков расчета однофазных двухполупериодных выпрямителей.

Описание лабораторной установки

Принципиальная схема стенда приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема для исследования однофазных выпрямителей

В схему лабораторной установки входят: понижающий трансформатор, однофазный нулевой выпрямитель (на диодах VD4,VD5), однофазный мостовой выпрямитель (VD2 … VD5), параметрический стабилизатор напряжения (VD7, R7), компенсационный стабилизатор напряжения (VT1 … VT4), фильтры (С2, С3, R6С2, R8, С3, LC2) а также однополупериодный выпрямитель (диод VD1) с параметрическим стабилизатором (VD6, R5) для обеспечения питания коллекторной цепи VT4. Нагрузкой выпрямителя служит переменный резистор Rн. Выбор схемы выпрямления осуществляется переключателем S1, подключение фильтра - переключателем S2. На лицевую панель стенда выведены гнезда для наблюдения с помощью осциллографа осциллограмм тока и напряжения. Резисторы R1и R3 служат для наблюдения осциллограмм тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора, резистор R2 - для наблюдения кривой тока диода. В схеме стабилизатора для повышения коэффициента стабилизации в качестве регулирующего элемента применен составной транзистор из транзисторов VT1, VT2. Транзистор VT3 и резисторы R10 … R12 служат для защиты от перегрузок при коротком замыкании на выходе стабилизатора. При нормальной работе схемы транзистор VT3 заперт. При увеличении тока нагрузки сверх допустимого значения, падение напряжения на R12 увеличивается, VT3 открывается, потенциал базы VT2 возрастает, транзисторы VT2 и VT3 запираются и ток в цепи нагрузки уменьшается.

Питание стенда осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В, ток нагрузки измеряется миллиамперметром, напряжение – вольтметром.

Указания и пояснения к работе

Двухполупериодная схема с нулевой точкой (рис 1.2) состоит из двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку.

В первый полупериод, когда потенциал точка а положителен, а потенциал точки в отрицателен относительно нулевого вывода трансформатора, ток проходит через диод V1, нагрузку и полуобмотку трансформатора а0. Во второй полупериод, когда фазное напряжение сменит знак, ток проходит через диод V2, нагрузку и полуобмотку трансформатора 0в. Ток в нагрузке протекает в течение всего периода в одном направлении. При работе на активную нагрузку кривая напряжения на ней (Ud) по величине и форме повторяет положительные полуволны напряжений вторичных полуобмоток трансформатора, а кривая тока в нагрузке id по форме повторяет кривую напряжения на нагрузке (рис 1.2, г).

Рис. 1.2. Двухполупериодная схема выпрямления с выводом нулевой точки трансформатора (а), временные диаграммы токов и напряжений (б…,ж)

В проводящую часть периода напряжение на диоде близко к нулю, когда диод закрыт, к нему прикладывается обратное напряжение, так как к аноду неработающего диода приложено напряжение одной полуобмотки трансформатора, а к катоду через работающий диод приложено напряжение второй полуобмотки трансформатора (рис. 1.2, в).

Недостатки: большое обратное напряжение на вентиле; необходимость изготовления вторичной обмотки со средним выводом и максимально симметричными полуобмотками; неполное использование полуобмоток вторичной обмотки трансформатора.

Эти недостатки устраняются в мостовой схеме (рис.1.3), которая состоит из трансформатора, четырех диодов, включенных в плечи моста и образующих две группы: катодную V1, V3 и анодную V2, V4 нагрузки. Переменное напряжение подводится к одной диагонали моста, а нагрузка подключается к другой его диагонали.

Рис. 1.3. Мостовая однофазная схема выпрямления (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б…д)

Вентили пропускают ток попарно V1, V2 и V3, V4. В первый полупериод, когда потенциал точки а положителен, а потенциал точки в отрицателен, ток проходит через диод V4, вторичную обмотку трансформатора. В течение всего периода ток в цепи нагрузки протекает в одном направлении. Кривые тока и напряжения в нагрузке (рис.1.3, г) имеют такой же вид, как и в схеме с нулевым выводом. В непроводящую часть периода к вентилю прикладывается обратное напряжение, равное фазному (рис. 1.3, в).

Преимущества схемы: применяется трансформатор без вывода средней точки; схему можно применять без трансформатора; требуется вдвое меньшее напряжение на вторичной обмотке трансформатора для получения заданного выпрямленного напряжения; ниже типовая мощность трансформатора; обратное напряжение на вентиле в два раза меньше.

Основные расчетные соотношения однофазных выпрямительных схем при работе на активную нагрузку приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Схема выпрямления									q
Нулевая Мостовая	0,9 0,9	0,5 0,5	3,14 1,57	0,785 1,11	1,11 1,11	1,57 1,57	1,48 1,48		0,667 0,667

Как видно из рисунков 1.2, г и 1.3, г напряжение в нагрузке имеет пульсирующий характер. Пульсации напряжения на выходе выпрямителя оцениваются коэффициентом пульсации q, равным отношению амплитуды первой гармоники напряжения пульсации к среднему значению выпрямленного напряжения

(1.1)

Для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке применяют сглаживающие фильтры. Эффективность фильтра оценивается коэффициентом сглаживания S, равным отношению коэффициентов пульсаций на выходе и входе фильтра

(1.2)

Где Udн1m и Udн – амплитуда первой гармоники пульсаций и среднее значение напряжения на выходе фильтра.

На рис. 1.4 приведены основные виды фильтров.

Рис. 1.4. Основные виды фильтров

Ёмкостный фильтр (рис.1.4, а) включается параллельно нагрузке и шунтирует её по переменной составляющей тока. При условии 1/(ω0гС) ≤ Rн во время положительных полупериодов конденсатор заряжается через проводящий диод до напряжения, равного амплитудному значению U2. При равенстве Uc = U2 диод закрывается и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки. Так как Rн >> ri диода, ёмкость разряжается незначительно (рис. 1.2, д), поэтому напряжение в нагрузке остается практически постоянным.

При работе выпрямителя с ёмкостным фильтром кривая тока в нагрузке id аналогична кривой напряжения Ud. Время протекания тока через диод уменьшается, а максимальное значение тока Iа max возрастает. Максимальное обратное напряжение на диоде такое же, как и при работе выпрямителя на активную нагрузку.

Индуктивный фильтр (рис. 1.4, б) включается последовательно с нагрузкой и представляет собой большое сопротивление для переменной составляющей тока. Для хорошего сглаживания должно быть выполнено условие ωог >> Rн. Коэффициент сглаживания определяется по формуле

S = ωог L/Rн (1.3)

Отсюда необходимая величина индуктивности фильтра

L = SRн/ωог (1.4)

где ωог = 2∙π∙m∙fc, m – число фаз выпрямителя.

При работе выпрямителя с индуктивным фильтром ток в цепи нагрузки сглажен, кривая напряжения на нагрузке повторяет по форме кривую тока. Токи вентилей (рис. 1.2, е) имеют вид прямоугольных импульсов длительностью π с наложенной переменной составляющей пульсаций. Напряжение на вентиле такое же, как и при чисто активной нагрузке.

Г-образный LC-фильтр (рис. 1.4, е) состоит из индуктивности включенной последовательно с сопротивлением нагрузки и емкости, шунтирующей ее. Коэффициент сглаживания этого фильтра S = ω²ог∙(LC – 1)

При заданном S

LC = S + 1/ ωог² (1.5)

При выборе элементов L и С исходят из следующих условий

ωог∙L = 5∙Rн; 1/(ωог ∙C) = Rн/5;

Г-образный RC-фильтр (рис. 1.4, д) состоит из активного сопротивления Rф, включенного последовательно с нагрузкой и емкости, шунтирующей нагрузку. Хорошее сглаживание получается при Rф = (0,2…0,3)Rн и 1/(ωогC) << Rн. Коэффициент сглаживания

S = ωог ∙Rф∙C = Rн/(Rн + Rф) (1.6)

RC- фильтр целесообразно применять в выпрямителях на малые токи, так как на Rф происходит падение напряжения, уменьшающее Ud. При необходимости получить больший коэффициент сглаживания применяют П-образный и многозвенные фильтры.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Ud от среднего значения выпрямленного тока Id называется внешней характеристикой Ud = f(Id). Для двухполупериодного выпрямителя при работе на активную нагрузку Ud = 0.9U2 – Id(ri + rтр). Здесь ri - внутреннее сопротивление диода, rтр – активное сопротивление обмоток трансформатора. При Id = 0 Ud = 0,9 U2, где 0,9 - коэффициент преобразования схемы. С увеличением Id растет падение напряжения на ri и rтр и Ud уменьшается (рис.1.5, кривая 1).

Рис. 1.5. Внешние характеристики выпрямителя

Некоторая нелинейность характеристики обусловлена нелинейностью ВАХ диодов. При работе с емкостным фильтром характеристика имеет вид 2. В режиме холостого хода, когда Id = 0, Udxx = Uc = U2.

С увеличением Id увеличивается скорость разряда, конденсатора и внешняя характеристика снижается с большим углом наклона.

Характеристика с RC- фильтром имеет более крутой спад (кривая 3) за счет увеличения падения напряжения на Rф с ростом тока Id.

Характеристика с LC-фильтром имеет излом при Id = Idкр (кривая 4). При Id < Idкр характеристика подобна характеристике выпрямителя с С-фильтром, но имеет более крутой наклон. Уменьшение Ud на этом участке обусловлено изменением формы кривой выпрямленного напряжения за счет увеличения скорости разряда конденсатора с уменьшением Rн и за счет повышения напряжения на дросселе при увеличении тока Id через него. Наклон характеристики при Id > Idкр определяется падением напряжения на диодах, обмотках трансформатора и дросселя.

Полупроводниковые стабилизаторы напряжения применяются для поддержания неизменным среднего значения выпрямленного напряжения при колебаниях напряжения сети или изменении тока нагрузки. Стабилизаторы делятся на параметрические (рис. 1.6, а) и компенсационные (рис. 1.6, б).

Рис. 1.6. Схемы параметрического (а) и компенсационного (б)

стабилизаторов напряжения

Параметрический стабилизатор основан на свойствах ВАХ кремниевого стабилитрона. Напряжение на стабилитроне на участке электрического пробоя почти постоянно при значительном изменении обратного тока через него. При изменении входного напряжения или тока нагрузки изменится напряжение на стабилитроне изменится ток через стабилитрон балластное сопротивление Rб, что приведет к изменению падения напряжения на Rб, а напряжение на нагрузке остается постоянным Uн = Uст. Качество стабилизации напряжения оценивается коэффициентом стабилизации

Kст = (ΔUвх/ Uвх) / (ΔUн/ Uн) (1.7)

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора

Kст = (Uн/Uвх) / (R/r д) (1.8)

Где -дифференциальное сопротивление стабилизатора. Обычно Kст параметрических стабилизаторов не превышает 20 … 50.

Более высоким коэффициентом стабилизации обладают компенсационные стабилизаторы напряжения (рис. 1.6, б). Транзистор VT1, включенный последовательно с нагрузкой, является регулирующим. Его сопротивление зависит от тока в цепи базы, который зависит от потенциала коллектора транзистора VT2. Стабилитрон VD1 является источником опорного напряжения Uоп.

При повышении напряжения на входе стабилизатора напряжение на нагрузке возрастет, что приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R5 и увеличению напряжения между базой и эмиттером транзистора VT2 (Uбэ = UR5 ‒ Uоп). Ток базы и ток коллектора транзистора VT2 увеличатся, падение напряжения на резисторе R3 возрастет, что приведет к увеличению потенциала базы транзистора VT1, уменьшению тока базы и тока коллектора VT1. Сопротивление транзистора VT1 увеличится, падение напряжения на нем возрастет и при соответствующем выборе элементов скомпенсирует увеличение входного напряжения, а напряжение на нагрузке останется неизменным. Схема работает аналогично и при снижении входного напряжения.

Порядок работы

1. Исследовать однофазную схему выпрямления с выводом нулевой точки трансформатора. Для этого:

1.1. Переключатель S1 поставить в положение «однофазный выпрямитель с выводом нулевой точки», потенциометр Rн перевести в крайнее левое положение.

1.2. Включить тумблер «СЕТЬ».

1.3. Изменяя потенциометром Rн ток в цепи нагрузки от минимального значения (ключ S4 разомкнут) до 100 мА, снять и построить внешнюю характеристику Ud = f(Id) выпрямителя без стабилизатора (переключатель S3 в положении «а») при работе:

а) без фильтра (переключатель S2 в положении 1);

б) с С-фильтром (переключатель S2 в положении 2);

в) с LC-фильтром (переключатель S2 в положении 3);

г) с RC-фильтром (переключатель S2 в положении 4).

Показания приборов записать в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

Измерено

Вычислено

Без фильтра

С -фильтр

LC -фильтр

RC -фильтр

Без фильтра

U2

Id

Ud

Id

Ud

Id

Ud

Id

Ud

U2

I2

Iам

Uобр

Ia

Sт

В

мА

В

мА

В

мА

В

мА

В

В

мА

мА

В

мА

Вт

1.4. Зарисовать для всех режимов работы осциллограммы выпрямленного напряжения Ud, напряжения на диоде Uv, анодного тока диода ia, тока первичной и вторичной обмоток трансформатора i1, i2.

Примечание: каждую из осциллограмм токов и напряжений при различных видах нагрузки зарисовать на одном рисунке при одинаковом усилении осциллографа и одном значении тока Id.

.Снять и построить внешнюю характеристику Ud = f(Id) выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора с RC- фильтром и параметрическим стабилизатором (переключатель S3 в положение «б»). Зарисовать осциллограмму напряжения Ud и токов ia, i1.

Исследовать однофазную мостовую схему выпрямления (переключатель S1 в положении «мостовая схема», Rн – в крайнем левом положении).

Выполнить пункты 1.3, 1.4 при работе выпрямителя:

а) без фильтра и стабилизатора (переключатель S2 в положение 1);

б) с RC-фильтром (переключатель S2 в положение 2);

в) с С-фильтром и компенсационным стабилизатором напряжения (переключатель S2 в положение 3).

Результаты измерений записать в таблицу, аналогичную таблице 1.2.

Контрольные вопросы

1. Объясните работу однофазной нулевой схемы выпрямления.

2. Объясните работу однофазной мостовой схемы выпрямления.

3. Объясните осциллограммы кривых токов ia, i2 и напряжений Ud, Uvd при всех видах нагрузки.

4. Объясните внешние характеристики выпрямителя.

5. Что такое коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания?

6. Назовите основные виды фильтров. Как определяются параметры фильтров?

7. В чем особенность работы выпрямителей на индуктивную и емкостную нагрузку?

8. Объясните работу параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения.

9. Укажите достоинства и недостатки однофазной нулевой и мостовой схем выпрямления.

Дата добавления: 2014-11-29