Лабораторная работа № 1 Основные радиоэлектронные измерения и измерительные приборы (стр. 11 )

2. 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 Um — 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 Uо — постоянная составляющая напряжения, Uп — 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 рвх и рвых — 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 рвых определяется как

, (5)

где Uовх — 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× … ×sn.

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:

.

3. Лабораторная установка

Работа выполняется на двух экспериментальных макетах:

№ 1 — выпрямитель, собранный по одно - и двухполупериоднoй схемам;

№ 2 — выпрямитель, собранный по мостовой схеме.

Рис. 6

Электрическая схема макета № 1 показана на рис. 6а. Макеты отличаются только типом диодной сборки, на рис. 6б показана сборка макета № 2. На вход первичной обмотки трансформатора Т1 подается синусоидальный сигнал с выхода генератора с частотой f =200 Гц и амплитудой 10 — 15В. К выходу выпрямителя (после фильтра) подключается осциллограф для измерения переменной составляющей сигнала (напряжения) и вольтметр PV — для измерения постоянной составляющей напряжения. К гнездам I подключается миллиамперметр, регистрирующий ток в нагрузке. Нагрузкой служит переменный резистор R, с помощью которого устанавливается требуемый нагрузочный ток. Переключатели SA2,4 подключают конденсаторы C1 и C2, а SA3 шунтирует дроссель L. Переключатель SA1 имеется только в макете № 1 и используется для переключения типа выпрямителя.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Собрать экспериментальную схему с макетом № 1 по рис. 6а. Установить переключателем SA1 однополупериодный режим работы. Включить генератор и осциллограф.

4.2. С помощью переменного резистора R установить нагрузочный ток 2 мA. Зарисовать осциллограмму напряжения и измерить постоянное и переменное напряжения на выходе выпрямителя при отключенных фильтрах и включенных фильтрах (фильтр С1; Г-образный фильтр LC2; П-образный фильтр C1LC2).

4.3. Переключить тип выпрямителя на двухполупериодный и повторить пункт 4.2.

4.4. Собрать схему с макетом № 2 и провести аналогичные измерения (п. 4.2).

4.5. По результатам измерений вычислить коэффициенты пульсаций напряжения на выходе фильтров и коэффициенты сглаживания каждого фильтра. Коэффициент пульсации напряжения на выходе фильтра — отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей напряжения на выходе фильтра к его постоянной составляющей. Коэффициент сглаживания — отношение амплитуд переменной составляющей напряжения на входе и выходе фильтра.

4.6. Сделать выводы о преимуществе и недостатках различных схем выпрямителей и фильтров.

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать схемы типов выпрямителей, осциллограммы выходного напряжения для всех типов выпрямителей и фильтров. Рассчитанные значения коэффициентов пульсации и фильтрации представить в таблице. Нагрузочные характеристики представить в виде графиков.

6. Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия выпрямителей на полупроводниковых диодах.

2. Для чего применяются фильтры?

3. Какие типы фильтров применяются в источниках постоянного напряжения?

4. Что такое коэффициент пульсации и коэффициент фильтрации?

5. Что такое внутреннее сопротивление источника питания?

6. С помощью преобразования Фурье запишите выражения для пульсирующего напряжения одно - и двухполупериодного выпрямления синусоидального напряжения с периодом Т и амплитудой U0.

7. Литература

1. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. М.: Сов. радио, 1976. С. 399—402.

Лабораторная работа № 7

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

1. Цель работы

Изучение принципа действия параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения, снятие характеристик стабилизации и нагрузки обоих стабилизаторов, определение их коэффициентов стабилизации и внутреннего сопротивления.

2. Краткие теоретические сведения

2.1. Введение.

Стабилизаторы напряжения используются в источниках питания постоянного тока для поддержания величины выходного напряжения с требуемой точностью. Для оценки действия стабилизатора используют коэффициент стабилизации напряжения, который показывает, во сколько раз относительное изменение на входе стабилизатора больше, чем на выходе, при постоянной величине нагрузки:

, (1)

где DUвх и DUвых — изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора; Uвх и Uвых — средние значения напряжений на входе и выходе стабилизатора. Для оценки действия стабилизатора при изменении величины нагрузки вводят внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора: