Випрямлячі

Розрізняють некеровані та керовані випрямлячі. Для побудови некерованих випрямлячів застосовують напівпровідникові діоди, а для побудови керованих - тиристори. Схема найпростішого однонапівперіодного випрямляча приведена на рис. 1а). На рис. 1б) приведені відповідні цій схемі епюри напруг та струмів.

Схема складається з: джерело синусоїдальної напруги , випрямляючий діод, та навантаження . При аналізі роботи схеми будемо вважати, що опір діода в прямому напрямі рівний нулю, а в зворотному - наскінченності. При таких припущеннях через навантаження протікає несинусоїдальний періодичний струм, у вигляді напівхвиль синусоїди

Цей струм створює на опорі падіння напруги в вигляді періодичних пульсацій. З врахуванням прийнятих допущень амплітудне значення пульсацій рівне амплітудному значенню вхідної напруги (рис. 1в)). Під час від ємного напівперіода вхідної напруги вся напруга джерела падає на нескінченному опорі діода. Таке падіння напруги називають зворотною напругою діода, а випрямляч - однонапівперіодним.

Рис. 1в) наглядно показує, що період пульсацій випрямленої напруги Т рівний періоду вхідної напруги. Значить і частота пульсацій рівна частоті вхідної напруги f, а кратність пульсацій

. (1)

Визначимо інтегральні параметри випрямленої напруги. Середнє значення струму визначимо виразом:

. (2)

Аналогічно

. (3)

Діюче значення випрямленого струму

. (4)

Відповідно

. (5)

Для оцінки якості випрямленої напруги застосовують спеціальний параметр - коефіцієнт пульсацій - Він визначається відношенням амплітуди першої гармоніки випрямленої напруги (пульсацій) - до середнього значення - :

. (6)

Розкладання в ряд Фур’є функції, представленої рис. 1в) має вигляд:

.

В цьому ряді перший член - постійна складова - середнє значення випрямленої напруги, а амплітуда першої гармоніки

,

тому

. (7)

Таким чином, схема однонапівперіодного випрямляча дозволяє отримати невисокі значення середнього і діючого струмів та напруг і має велике значенням пульсацій - К_п = 1,57.

Значно кращі параметри має схема двонапівперіодного випрямляча, розроблена в 1901 г. академіком Міткевичем (рис.2а)). Схема складається із джерела синусоїдальної напруги, трансформатора с відводом від середньої точки вторинної обмотки, двох діодів та опіру навантаження - R_H. Опір навантаження включено між катодами діодів та середньою точкою вторинної обмотки.

На інтервалі часу від 0 до Т/2 (рис.2б)) полярність напруги на вторинній обмотці трансформатора така, як показано на рис. 2а). До діода Д1 прикладена пряма напруга, а до діода Д2 - зворотна. В колі вторинної обмотки потече струм i₁ від точки 1, через діод Д1, опір R_H до середньої точки вторинної обмотки. Цей струм створює падіння напруги (пульсацію) на інтервалі позитивного напівперіода вхідної напруги.

На інтервалі від Т/2 до Т (негативний напівперіод) полярність напруги на вторинній обмотці трансформатора змінюється на протилежну. Тепер вже до диода Д2 прикладена пряма напруга, а к діода Д1 - зворотна. В колі вторинної обмотки потече струм i₂ от точки 1^', через діод Д2, опір R_H до середньої точки вторинної обмотки. Напрям струму через R_H залишається таким самим як і під час позитивного напівперіода. Тому цей струм створить падіння напруги (пульсацію) на інтервалі негативного напівперіода. Через це такий випрямляч часто називають двухнапівперіодним.

Рис.2в) наглядно демонструє, що період пульсацій випрямленої напруги Т_п в два рази менший періоду вхідної напруги. Отже

; ; ; ; (8) ; (9) (10)

; (11) ; (12)

де: .

Отримані вирази показують, що схема Міткевича має набагато кращі параметри, ніж однонапівперіодний випрямляч. Однак застосування трансформатора с відводом від середньої точки вторинної обмотки не завжди прийнятно. В таких випадках застосовують схему мостового випрямляча (рис. 3). Схема складається із джерела напруги u(t), чотирьох діодів та опору навантаження R_H, яке включено в діагональ моста.

Нехай під час додатного напівперіода вхідної напруги полярність контактів 1 - 1^' така, як показано на рис. 3. В цьому випадку до діодів Д1 и Д4 прикладена пряма напруга, а до діодів Д2 и Д3 - зворотна. В колі випрямляча потече струм i₁ від контакту 1, через діод Д1, опір навантаження R_H, діод Д4, до контакту 1^'. Цей струм створить на опорі навантаження падіння напруги (пульсацію) на інтервалі додатного напівперіода вхідної напруги (див. рис.2в)).

Під час від’ємного напівперіода вхідної напруги полярність контактів 1 - 1^' змінюється на протилежною. Тепер напруга прикладена до діодів Д2 та Д3 - пряма, до діодів Д1 и Д4 – зворотна. В колі випрямляча потече струм i₂ від контакту 1^', через діод Д3, опір навантаження R_H, діод Д2, до контакту 1. Бачимо, що напрям струму через опір R_H не змінився. Значить форма напруги на опорі R_H така як на рис.2в), а параметри мостового випрямляча такі ж як параметри схеми Міткевича.

При напругах на опорі R_H сумірних з напругою на прямозміщеному діодові схема Міткевича має перевагу над мостовою схемою через вищий К.К.Д., а при високій вихідній напрузі на опорі R_H в силу компактності мостова схема має переваги через нижчу ціну трансформатора та більшій компактності.

Порівняння параметрів одно- та двонапівперіодних випрямлячів дозволяє встановити зв’язок меж значенням кратності пульсацій m та коефіцієнта пульсацій К_п. Так для однонапівперіодного випрямляча m = 1, а К_п = 1,57. Для двухнапівперіодного випрямляча m = 2, а К_п = 0,67. Враховуючи, що коефіцієнт пульсацій визначається середнім значенням випрямленої напруги U₀, найдемо залежність . Для цього достатньо проінтегрувати миттєве значення напруги на навантаженні в границях від -Т/2m до Т/2m (тобто в межах однієї пульсації):

.

Замінимо оператор інтегрування dt на dwt. Тоді період Т необхідно замінити на 2p.

Тепер:

. (13)

Отримані рішення свідчать про те, що для підвищення середнього значення випрямленої напруги U₀ (а значить зменшення К_п) необхідно збільшувати кратність пульсацій m. Значення m>2 можна отримати в багатофазних випрямлячах.

ХІД РОБОТИ

1.1. Зберіть схему для дослідження фори напруги на навантаженні.

1.2. Зарисуйте форму сигналу на навантаженні та занесіть до табл.1.

1.3. Зберіть схему для дослідження фори напруги на навантаженні для однонапівперіодної схеми випрямлення.

1.4. Зарисуйте форму сигналу на навантаженні та занесіть до табл.1.

1.5.
Зберіть схему для дослідження фори напруги на навантаженні для двонапівперіодної мостової схеми випрямлення.

1.6. Зарисуйте форму сигналу на навантаженні та занесіть до табл.1.

1.7.
Зберіть схему для дослідження фори напруги на навантаженні для двонапівперіодної із відводом від середини обмотки трансформатора схеми випрямлення.

1.8. Зарисуйте форму сигналу на навантаженні та занесіть до табл.1.

Таблиця 1

Завдання	Схема	Осцилограма

2.1. Зафіксуйте амплітудне значення напруги на навантаженні для всіх схем випрямлення та обчисліть середнєвипрямлене та снереднєквадратичне значення напруги на навантаженні. Результати занесіть до табл. 2.

Таблиця 2.

3.1. Використовуючи формулу I_R = U_R / R обчисліть значення струму, що протікає через навантаження та випрямні діоди для всіх схем випрямлення.Результати занесіть до табл. 3.

Таблиця 3.

4. Користуючись експериментальними даними та теоретичними відомостями виконайте дії згідно із завданням до лабораторної роботи.

ЗАВДАННЯ

4.1. Вкажіть, яка схема випрямлення має переваги при малих випрямлених напругах. Чому?

4.2. Вкажіть, яка схема випрямлення має переваги при великих випрямлених напругах. Чому?

4.3. Зарисуйте структурну схему випрямляча та поясніть значення окремих блоків.

4.4. Назвіть основні класифікаційні ознаки схем випрямлення.

4.5. Порівняйте різні схеми випрямлення за коефіцієнтом пульсацій.

4.6. Наведіть приклади застосування однонапівперіодної схеми випрямлення напруги. Поясніть доцільність застосування такої схеми випрямлення.

4.7. Наведіть приклади застосування двонапівперіодної схеми випрямлення напруги. Поясніть доцільність застосування такої схеми випрямлення.

4.8. Наведіть приклади застосування двонапівперіодної схеми випрямлення напруги із середньою точкою. Поясніть доцільність застосування такої схеми випрямлення.

4.9. Назвіть параметри вибору випрямних діодів для однонапівперіодної схеми випрямлення напруги.

4.10. Вкажіть, в якій схемі випрямлення зворотна напруга прикладена до випрямних діодів максимальна.

5. Вимоги до оформлення звіту.

· Звіт необхідно оформити в текстовому редакторі MS WORD.

· Звіт повинен містити:

- титульну сторінку;

- мету роботи;

- схеми дослідів;

- таблиці з даними;

- епюри напруг;

- розрахунки параметрів згідно із індивідуальним завданням.

Додаток 1