Протокол испытаний

Рис. А.1

Таблица 1

Таблица 2

Расчётные формулы:

Уравнение мгновенного значения U (t) для опыта № _____

U (t) =

Студент __________________ Группа ______________ Дата ___________

Преподаватель _______________ Оценка ___________ Дата____________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ДИОДАМИ

Цель работы: 1) изучить принцип действия выпрямителя; 2) исследовать и определить характеристики выпрямителя; 3) провести сравнительный анализ выпрямителя без обратной связи и с обратной связью.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Выпрямителем называется устройство для преобразования электрического переменного тока в постоянный ток. Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что электростанции вырабатывают энергию переменного тока, а многие промышленные силовые электроустановки и цепи автоматики и радиоэлектроники работают на постоянном токе. Промышленные силовые электроустановки постоянного тока получают питание от трёхфазных выпрямителей, а цепи автоматики и радиоэлектроники от однофазных.

Трансформатор служит для повышения или понижения напряжения сети до такой величины, которая обеспечит заданное напряжение на зажимах нагрузки.

Блок вентилей в однофазных выпрямителях может состоять из одного, двух и четырёх вентилей. Под вентилем понимают устройство, способное проводить ток только в одном направлении. В данной работе рассматриваются выпрямители, у которых в качестве вентилей используются полупроводниковые диоды VD ₁- VD ₄. Блок вентилей выполняет основную функцию выпрямителя – преобразование переменного тока в постоянный.

Сглаживающий фильтр используется для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока. Фильтр представляет собой устройство, способное запасать энергию (получая её от источника) при увеличении напряжения и отдавать её нагрузке при уменьшении напряжения и отдавать её нагрузке при уменьшении напряжения. В данной работе рассматриваются выпрямители с ёмкостным фильтром C_Ф, который представляет собой конденсатор, включённый параллельно нагрузке.

Стабилизатор напряжения служит для уменьшения отклонений величины напряжения на зажимах нагрузки от номинала, которые могут возникнуть вследствие изменения сопротивления нагрузки или изменения напряжения сети. В данной работе исследуются выпрямители без стабилизаторов напряжения.

В качестве нагрузки выпрямителя используются следующие элементы и устройства: резисторы, индуктивные катушки, двигатели постоянного тока, усилители электрических сигналов, цепи измерительных приборов и т.п. В данной работе нагрузкой выпрямителя является резистор R_Н.

Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного однофазного напряжения. В настоящей работе исследуется мостовой двухполупериодный выпрямитель. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя с ёмкостным фильтром С_Ф приведена на рис.2.

Рис. 2 Принципиальная схема двухполупериодного
мостового выпрямителя

В этом выпрямителе блок вентилей состоит из четырёх диодов, включённых по мостовой схеме. На одну диагональ мостовой схемы подаётся синусоидальное напряжение U_2Т от вторичной обмотки трансформатора Т. Ко второй диагонали подключаются нагрузка R_H и фильтр С_Ф. Данный выпрямитель может работать как без фильтра (когда ключ K разомкнут), так и с фильтром.

Работа выпрямителя без фильтра. При положительной полуволне напряжения U_2T (рис.3,а) диоды VD ₂ и VD ₃ открыты, а VD ₁ и VD ₄ закрыты. При этом под воздействием напряжения U_2T по цепи: зажим а вторичной обмотки трансформатора, диод VD ₂, нагрузочный резистор R_H, диод VD ₃, зажим b вторичная обмотка трансформатора – протекает ток i_H в направлении от с к d. При отрицательной полуволне напряжения U_2T диоды VD ₁ и VD ₄ открыты, а VD2 и VD3 закрыты. При этом ток i_H протекает по цепи – зажим b, диод VD ₄, нагрузочный резистор R_H, диод VD ₁, зажим а, вторичная обмотка трансформатора. Направление тока в резисторе R_H такое, как и при положительной полуволне напряжения U_2T.

Ток i_H, протекая по резистору R_H, создаёт пульсирующее напряжение U_H (рис.3,б). Это напряжение представляется следующим рядом Фурье:

где – постоянная составляющая выпрямленного напряжения U_H,

– амплитуда второй гармоники выпрямленного
напряжения и так далее.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения U₀ при двухполупериодном выпрямлении выражается через амплитудное и действующее значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора следующими формулами:

При двухполупериодном выпрямлении коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды второй гармоники (так как первая гармоника равна нулю) к постоянной составляющей:

=0,86.

Работа выпрямителя с фильтром. Процесс сглаживания пульсаций емкостным фильтром при двухполупериодном выпрямлении показан на рис.3,в. Из этого рисунка следует, что выпрямленное и сглаженное напряжение U_НФ на нагрузочном резисторе всегда больше нуля. В соответствии с законом Ома ток i_НФ, протекающий через нагрузку при наличии фильтра, также всегда будет больше нуля. Это объясняется следующим образом. В интервалах а – b, с – d, e – f одна пара диодов открыта, другая – закрыта и ток i_НФ протекает под воздействием напряжения U_2T. В эти же интервалы времени происходит подзаряд конденсатора С_Ф. В интервалах 0 – а, b – c, d – e, f – g все диоды закрыты, а ток i_НФ протекает в результате разряда конденсатора на нагрузочный резистор R_H.

Внешняя характеристика выпрямителя. Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость средневыпрямленного напряжения U₀ от средневыпрямленного значения тока I₀, то есть зависимость U₀(I₀). На рис.4 приведены графики внешних характеристик выпрямителя при работе его с фильтром – кривая U_0Ф(I₀) – и без фильтра – кривая U₀(I₀). Напряжения U_0ФХ и U_0X представляют собой напряжения холостого хода выпрямителя при работе его с фильтром и без фильтра. При этом U_0ФХ > U_0X за счёт действия сглаживающего фильтра.

Из сравнения этих кривых следует, что при увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах нагрузки при работе выпрямителя с фильтром уменьшается более интенсивно, чем без фильтра. Это происходит из-за того, что на величину средневыпрямленного напряжения влияет более быстрый разряд конденсатора при уменьшении R_H.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования является мостовой двухполупериодный выпрямитель, смонтированный на плате №3. Он получает питание от сети переменного тока через трансформатор. Напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора, равно 36 В. Нагрузкой выпрямителя является резистор R_H с регулируемым сопротивлением. Сопротивление регулируется путём поворота соответствующей ручки. В качестве измерительных приборов применяются многопредельный миллиамперметр и цифровой или стрелочный вольтметр. Для визуального наблюдения процесса выпрямления переменного напряжения применяется электронный осциллограф.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Монтажная схема двухполупериодного мостового выпрямителя с ёмкостным фильтром собирается на монтажной плате № 3 (её вид приведён на рис. 5).

Рис. 5 Монтажная плата № 3 учебного стенда

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. На монтажной плате № 3 собрать электрическую схему (рис. 2):

- соединить гнёзда 8–mA, mA–6;

- вход осциллографа соединить с гнёздами «х» и «а»;

- выключатель В3-1 перевести в положение «ВКЛ»;

- выключатель В3-2 перевести в положение «I».

2. После проверки монтажной цепи преподавателем подать на неё напряжение (~36 В). Для этого переключатель В1 в центре стенда перевести в положение «ВКЛ».

Полученную на осциллографе осциллограмму зарисовать на рис. 6,а.

3. Включить двухполупериодный выпрямитель, для чего:

- выключатель В3-2 перевести в положение «II»;

- соединить вход осциллографа с гнёздами «15» и «13»;

- соединить проводами гнёзда 8–mA, mA–6;

- полученную на осциллографе осциллограмму зарисовать на рис. 6,б.

4. Включить в рабочую схему фильтр , для чего:

- соединить гнёзда 8–mA, mA–3;

- соединить гнёзда 13–6;

- вход осциллографа соединить с гнёздами «5» и «7».

- полученную на осциллографе осциллограмму зарисовать на рис. 6,в.

5. Измерить постоянное напряжение U _н и U _н,ф на нагрузочном резисторе Rн1, при работе выпрямителя без фильтра и с фильтром, для чего:

- настроить вольтметр на измерение постоянного напряжения;

- подключить вольтметр к гнёздам «5» и «7»;

- соединить гнёзда 8–mA, mA–6;

- фильтр включается в схему при соединении гнёзд 13-3;

- измерить напряжение U _н и U _н,ф на нагрузочном резисторе;

- полученные значения напряжений записать в табл.1 протокола испытаний.

6. Измерить переменное напряжение U и U _ф на нагрузочном резисторе R_{н 1}, при работе выпрямителя без фильтра и с фильтром, для чего:

- настроить вольтметр на измерение переменного напряжения;

- подключить вольтметр к гнёздам «5» и «7»;

- измерить напряжение U и U _Ф на нагрузочном резисторе R_{н 1};

- полученные значения напряжения записать в табл.2 протокола испытаний.

7. Снять внешнюю характеристику выпрямителя при его работе без фильтра и с фильтром. Для этого:

- настроить вольтметр на измерение постоянного напряжения;

- соединить гнёзда 8–mA, mA–6;

- изменяя ток нагрузки от нуля до максимума, вращением ручки Рег.U_вых, зафиксировать 5-6 значений тока I ₀ и напряжения U ₀ (без фильтра), U_0Ф (с фильтром) на нагрузке R_{н 1}.

- полученные результаты записать в табл.3 протокола испытаний.

8. Согласовать полученные результаты с преподавателем, после чего цепь разобрать, приборы и учебный стенд выключить.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Вычислить амплитудные значения переменных составляющих U_m и U_mФ и коэффициенты пульсаций р и р_Ф выпрямленного напряжения по формулам

; ; ; .

Полученные результаты записать в табл.4 и 5 (прил.).

2. Построить внешние характеристики выпрямителя без фильтра
U₀ = f(I₀) и с фильтром U_0Ф = f(I₀) на рис.7 (прил.).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Что называется выпрямителем?

2. Из каких частей в общем случае состоит выпрямитель?

3. Для чего в выпрямителях применяются фильтры и могут ли они работать без фильтров?

4. Нарисуйте кривую изменения выпрямленного напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров.

5. Какова связь между постоянной составляющей выпрямленного напряжения и средневыпрямленного напряжения?

6. Амплитуда выпрямленного синусоидального напряжения равна 100 В. Чему равны средневыпрямленное значение напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров?

7. Чему равен коэффициент пульсаций напряжения при двухполупериодном выпрямлении?

8. Действующее значение выпрямленного синусоидального напряжения 100 В. Средневыпрямленное напряжение на зажимах нагрузки должно быть не менее 80 В. Можно ли получить заданное напряжение от выпрямителя без фильтра?

9. Что называют внешней характеристикой выпрямителя?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1986. – С. 224-231, 235-243.

2. Лабораторные работы по основам промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1977. – С. 81-98.

Приложение Б

ОТЧЁТ

по лабораторной работе № 10

«Исследование однофазного выпрямителя с полупроводниковыми диодами»

Цель работы: ________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

1. Протокол испытаний

Таблица 1

Продолжение приложения Б

Таблица 3

2. Расчётно-графическая часть

Таблица 4 Таблица 5

Расчётные формулы:

U₀, B Внешняя характеристика выпрямителя

I₀, A

Рис. 7

Краткие выводы:

Группа ____________ Студент ____________________ Дата __________

Преподаватель ______________ Оценка ___________ Дата __________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСИЛИТЕЛЯ
ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы:

1. Изучить схему и принцип действия усилительного каскада.

2. Исследовать основные характеристики усилителя и влияние на них отрицательной обратной связи.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Назначение и принцип работы усилителя переменного напряжения.

Усилители позволяют преобразовать периодические сигналы малых напряжений (от 10^-7В) и токов (от 10^-14А) в сигналы такой же формы, но значительно больших значений напряжения, тока, мощности. Усиление сигнала осуществляется за счёт энергии источника питания.

Для анализа работы усилительного каскада воспользуемся его схемой замещения (рис.1,б). Транзистор является управляемым элементом: управляющим сигналом U_ВХ или i_Б можно изменить плотность потока электронов через эмиттер и коллектор, т.е. изменить его сопротивление. Поэтому на схеме замещения транзистор изображён нелинейным элементом, сопротивление которого зависит от входного сигнала R(i_Б). Работу транзистора как нелинейного элемента (рис.1,б) удобно описывать переходной характеристикой, представляющей собой зависимость тока коллектора от тока базы I_К = F(I_Б) при постоянных значениях E_К и R_K. В качестве примера на рис.2 представлена переходная характеристика транзистора КТ312А при Е_К = 15 В и R_К = 600 Ом.

Она наглядно показывает усилительные свойства транзистора по току. В точке А коэффициент усиления транзистора по току

Таким образом, в схеме усилительного каскада транзистор выполняет роль усиления входного тока i_Б. Резистор R_K служит для преобразования выходного тока i_K в выходное напряжение: U_ВЫХ = Е_К - R_Ki_K.

На переходной характеристике транзистора можно выделить участки, определяющие его различные режимы работы.

Участок 1-2 (I_Б £ 0) соответствуют режиму отсечки, в котором оба р-n перехода транзистора закрыты и I_K» 0. Участок 3-4 (I_Б ³ I_Б.НАС) соответствует режиму насыщения. В этом режиме оба перехода открыты и I_K = I_K.MAX. Участок 2-3 соответствует усилительному режиму, в котором изменение тока I_Б вызывает пропорциональное изменение I_К.

При работе транзистора в усилительном каскаде режимы отсечки и насыщения не используются. Это достигается, во-первых, путём подключения базы транзистора к источнику питания через резистор R_Б (рис.1) и, во-вторых, ограничением амплитуды входного сигнала U_ВХ(t) £ U_ВХ.MAX. Величина R_Б выбирается такой, чтобы при отсутствии входного сигнала рабочая точка А (точка покоя), определяемая значением I_БО = (Е_К – U_БЭ) / R_Б»Е_К / R_Б, находилась в центре линейного участка переходной характеристики транзистора (рис.2). Наглядно работу усилителя можно представить с помощью временных диаграмм сигналов в их причинной последовательности: U_ВХ(t)®i_Б(t)®i_K(t)®U_ВЫХ(t)®U_ВЫХ~ (t)

Диаграммы (рис.3) описывают работу усилителя с транзистором КТ312А, R_K = 600 Ом, Е_К = 15 В, R_Б = 37 кОм. Синусоидальный входной сигнал U_ВХ(t) с амплитудой 0,05В(рис.3,а) подаётся а входные клеммы усилительного каскада. Он вызывает синусо-идальный входной ток i_ВХ(t) с амплитудой 0,2мА, который сум-мируется с постоян-ным током I_БО = 0,4мА. Таким образом, в базе

течёт ток i_Б(t) = I_БО + i_ВХ(t) (рис.3,б); изменяющийся в пределах 0,2 …0,6 мА.

Колебания тока i_Б(t) в соответствии с переходной характеристикой (рис.2) вызывают изменения коллек-торного тока в значительно большем диапазоне 7-21 мА (рис.3,в). С помощью резистора R_К колебания тока i_К(t) преобразуются в колебания выходного напряжения (рис.3,г). Напряжение U_ВЫХ(t) имеет постоянную составляющую U_КО, которая не является функционально необходимой. Для выделения на нагруз-ке Z_H только переменной состав-ляющей усиленного сигнала U_ВЫХ~(t) (рис.3,д) в выходной цепи каскада устанав-ливается раздели-тельный конденсатор С_Р, который имеет бесконечно большое сопротивление для постоянного тока и малое (X_Cp<<Z_H) для переменного. Таким образом, из анализа диаграмм (рис.3) следует, что синусоидальные колебания входного сигнала с амплитудой 0,05 В вызывают колебания выходного напряжения усилителя со значительно большей амплитудой (около 4 В), причём сигналы U_ВХ(t) и U_ВЫХ~(t) находятся в противофазе.

2. Основные характеристики усилителя.