Выпрямители. Исследование выпрямительных схем: Методические указания и задания на лабораторную работу № 2

Лабораторная работа № 2.

Выпрямители.

Для электропитания радиоэлектронной аппаратуры используются источники питания сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц, автономные сети повышенной частоты 400 или 1000 Гц или химические источники питания. На практике наибольшее распространение получил способ питания, основанный на выпрямлении переменного тока внешней сети. Устройства, осуществляющие выпрямление, принято называть выпрямителями.

1. Назначение и состав схем выпрямления

Выпрямительные устройства используются для преобразования переменного напряжения в постоянное. Обычно они состоят из:

·  повышающего или понижающего (в зависимости от назначения выпрямителя) трансформатора (на практике могут использоваться и бестрансформаторные схемы выпрямления);

·  полупроводниковых диодов, осуществляющих выпрямление переменного напряжения;

·  сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного напряжения. Выпрямители без сглаживающего фильтра применяются сравнительно редко (только в тех случаях, когда пульсации напряжения на нагрузке не имеют существенного значения);

·  кроме этого, выпрямители могут включать в себя устройства стабилизации напряжения, а также устройства контроля, защиты и коммутации.

Схемы выпрямления могут быть с умножением выпрямленного напряжения.

2. Требования к выпрямителям

Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда требований, предъявляемых к выпрямительному устройству. К ним относятся:

·  выпрямленное напряжение и мощность;

·  частота пульсации выпрямленного напряжения;

·  число диодов;

·  обратное напряжение на диоде;

·  коэффициент использования мощности трансформатора;

·  напряжение вторичной обмотки.

3. Коэффициент пульсаций

Качество выпрямления переменного напряжения оценивают с помощью коэффициента пульсаций, под которым понимают отношение переменной и постоянной составляющих выпрямленного напряжения:

,                                                                   (1)

где U₁ и U₀ – амплитуда переменной и постоянной составляющей выпрямленного напряжения соответственно.

4. Однополупериодная схема выпрямления

4.1. Состав

Однополупериодный выпрямитель (рис.1) состоит из трансформатора T1 и диода D1. В схеме для его исследования в качестве питающей сети используется источник переменного напряжения V2, в качестве нагрузки - резистор R1. Для получения временных диаграмм используется осциллограф.

Рис. 1. Однополупериодный  выпрямитель

4.2. Работа схемы

В моменты времени, когда диод включен в прямом направлении, ток протекает через диод и нагрузку. При этом собственное сопротивление диода значительно меньше сопротивления нагрузки, и практически все напряжение с вторичной обмотки трансформатора приложено к нагрузке.

В моменты обратного включения диодов собственное сопротивление диода превышает сопротивление нагрузки, ток через нагрузку не проходит, а все напряжение оказывается приложенным к диоду.

Таким образом, на выходе однополупериодной схемы выпрямления имеют место импульсы тока и напряжения, частота следования которых равна частоте питающей сети (рис. 2).

                   а)                                                                                                  б)

Рис. 2. Напряжение на входе (а) и выходе (б) однополупериодного  выпрямителя

4.3. Достоинства и недостатки

Достоинствами однополупериодной схемы выпрямления являются:

·  простота;

·  наличие только одного диода;

·  использование однофазного трансформатора.

К недостаткам схемы следует отнести:

·  относительно большое значение коэффициента пульсаций;

·  низкий коэффициент использования мощности трансформатора, так как он работает только в течение одного полупериода;

·  большая величина обратного напряжения на диоде.

4.4. Применение

Как правило, однополупериодную схему выпрямления применяют в маломощных выпрямителях с высокоомной нагрузкой, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения.

4.5. Уменьшение пульсации напряжения

Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя ставят сглаживающие фильтры. В простейшем случае – конденсатор. Схема однополупериодного  выпрямителя, дополненного конденсатором С1, приведена на рис. 3, а напряжение на его выходе – на рис. 4.

Рис. 3. Однополупериодный  выпрямитель, дополненный конденсатором С1

Коэффициент пульсации на выходе такого выпрямителя (для частоты питающей сети 50 Гц !) определяется по приближенной формуле:

,                                                              (2)

где  сопротивление нагрузки R_н считают в омах, а емкость конденсатора С - в микрофарадах.

При увеличении частоты питающей сети коэффициент пульсации уменьшается в соответствующее количество раз.

Рис. 4. Напряжение на выходе однополупериодного выпрямителя,

дополненного конденсатором С1

5. Двухполупериодная схема выпрямления

5.1. Состав

Двухполупериодная схема выпрямления (рис. 5) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на одну нагрузку.

Он состоит из трансформатора T1 и двух диодов D1 и D2. Так же, как и ранее, в схеме для его исследования в качестве питающей сети используется источник переменного напряжения V2, в качестве нагрузки - резистор R2. Для получения временных диаграмм используется осциллограф.

5.2. Работа схемы

В течение одного полупериода ток протекает через диод D1, нагрузку R2 и половину вторичной обмотки трансформатора Т1. Во вторую половину периода работает вторая часть схемы. Таким образом, через нагрузку ток протекает в течение всего периода в одном направлении (рис. 6.а). 

5.3. Достоинства и недостатки

К недостаткам можно отнести наличие средней точки трансформатора.

5.4. Применение

Двухполупериодный выпрямитель со средним выводом вторичной обмотки трансформатора применяют в низковольтных устройствах.

5.5. Уменьшение пульсации напряжения

Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя ставят сглаживающие фильтры. В простейшем случае, конденсатор. Схема двухполупериодного  выпрямителя, дополненного конденсатором С1, приведена на рис. 7, а напряжение на его выходе – на рис. 6.б.

Коэффициент пульсации на выходе такого выпрямителя (для частоты питающей сети 50 Гц !) определяется по приближенной формуле: