Краткие теоретические сведения. Изучение принципа действия выпрямителей

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЕЙШИХ СХЕМ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

И СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

Цель работы

Изучение принципа действия выпрямителей. Измерение пульсаций и расчет коэффициентов фильтрации простых типов фильтров. Снятие нагрузочных характеристик и определение внутреннего сопротивления выпрямителя.

Краткие теоретические сведения

Выпрямление переменного тока может быть осуществлено либо с помощью электромеханических устройств, либо с помощью схем, включающих в себя нелинейные элементы — вентили. Их главное нелинейное свойство — односторонняя проводимость. По количеству фаз переменного тока выпрямители бывают однофазными и многофазными. По величине отношения выходного напряжения к входному — с умножением напряжения и без умножения. Если ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения, то такой выпрямитель является двухполупериодным (двухтактным), если ток в нагрузке протекает в течение только одного полупериода — однополупериодным (однотактным). Двухполупериодный выпрямитель получается либо добавлением к однополупериодному (рис. 1а) второго такого же выпрямителя, работающего на нагрузку параллельно с первым, но от противофазного напряжения (схема с выводом в средней точке (рис. 1б)), либо с использованием мостовой схемы (рис. 1в).

Рис. 1: схемы выпрямителей

Работу выпрямителя можно продемонстрировать с помощью графиков (временных диаграмм) напряжения на выходе выпрямителя или тока в нагрузке (рис. 2).

Рис. 2. Выпрямленное значение напряжения или тока: для однополупериодного выпрямления (вверху); для двухполупериодного выпрямления (внизу)

Из графиков видно, что выпрямленное напряжение, оставаясь постоянным по знаку, периодически меняется по времени, т. е. пульсирует. Пульсация особенно велика при однополупериодном выпрямлении. Разложение в ряд Фурье напряжения пульсаций по периоду дает следующие выражения:

, (1)

, (2)

где U_m — амплитуда пульсаций, w — циклическая частота входного переменного напряжения. Из анализа этих выражений видно, что напряжение равно сумме постоянной составляющей:

— для однополупериодного выпрямителя,

— для двухполупериодного выпрямителя,

переменного напряжения с основной частотой переменного тока:

— для однополупериодного выпрямителя и

0 — для двухполупериодного выпрямителя,

и высших гармоник. Во втором случае постоянная составляющая в 2 раза больше и первая гармоника отсутствует. Это является главным преимуществом двухтактного выпрямления.

Степень пульсаций выпрямленного напряжения обычно оценивается с помощью коэффициента пульсаций:

, (3)

где U_о — постоянная составляющая напряжения, U_п — амплитуда переменной составляющей (берется только первая гармоника). Из Фурье-разложения (1) несложно получить, что для однополупериодного выпрямителя р=1,57, а для двухполупериодного — р=0,67. В многофазных выпрямителях частота пульсаций в n раз больше, где n — число фаз. Постоянная составляющая тоже имеет повышенное значение.

Пульсирующее напряжение, в котором пульсации достигают 67%, тем более 157%, в большинстве случаев непригодно для питания радиоэлектронной аппаратуры. Необходимо применять сглаживающие фильтры. Степень подавления переменной составляющей для фильтра оценивается с помощью коэффициента фильтрации:

, (4)

где р_вх и р_вых — коэффициенты пульсаций на входе фильтра (если он начинается с индуктивности или с сопротивления) и выходе фильтра (если он начинается с емкости). Формула справедлива при условии, если на фильтре не происходит заметной потери постоянной составляющей. В противном случае р_вых определяется как

, (5)

где U_овх — постоянная составляющая на входе фильтра. Простейшими фильтрами могут служить емкость С, включенная параллельно нагрузке R₀ (рис. 3a), и индуктивность L, включенная последовательно с нагрузкой (рис. 3б).

Рис. 3

Однако такие фильтры обеспечивают хорошую фильтрацию лишь при весьма значительных величинах C и L. Наиболее распространены Г-образный LC (рис. 4) и П-образный CLC фильтры (рис. 5).

Рис. 4 Рис.5

Если фильтр имеет n звеньев, то общий коэффициент сглаживания определяется как произведение: s = s₁× s₂× s₃× s₄× … ×s_n.

Важнейшей характеристикой выпрямителя, как и всякого источника питания, является его нагрузочная характеристика, показывающая зависимость выпрямленного напряжения от тока, потребляемого нагрузкой. Вид и степень этой зависимости определяются внутренним сопротивлением выпрямителя, которое слагается из активных сопротивлений фильтра, обмоток трансформатора и вентиля, а также эквивалентного сопротивления, учитывающего зависимость разряда конденсаторов фильтра от тока нагрузки.

Внутреннее сопротивление в силу нелинейности определяется как дифференциальное при токе равном рабочему:

.