Выпрямитель
Выпрямление переменного напряжения осуществляется выпрямительным диодом VD1 или четырьмя выпрямительными диодами VD2 – VD5. На выходе выпрямителя получаем пульсирующее напряжение одного знака, которое изменяется от нуля до максимума. Один диод VD1 пропускает через себя только один полупериод синусоиды, поэтому называется однополупериодным выпрямителем. Его недостаток в том, что вторая половина периода ”исчезает”.
Вентильная группа из четырех полупроводниковых диодов VD2 – VD5, соединенных в кольцо, как показано на схеме, называется выпрямительным мостом. Такой выпрямитель называется двухполупериодным, так как пропускает через себя два полупериода синусоиды.
Выпрямительные диоды пропускают через себя электрический ток только, когда p - n переход смещается в прямом направлении, т.е. когда к ”p“ области подключен плюс, а к “n” области – минус. Согласно вольт-амперной характеристике диода на прямой ветви происходит незначительное падение напряжения, которое для кремниевых диодов может доходить до 1 вольта (0,6 вольта точка перегиба прямой ветви ВАХ).
В однополупериодном выпрямителе ток проходит через один диод, поэтому пиковое значение выпрямленного напряжения уменьшается на 0,6 – 1 вольта. В двухполупериодном выпрямителе ток проходит попеременно через два диода, поэтому в этом случае пиковое значение выпрямленного напряжения уменьшается на 1,2 – 2 вольта.
Величину пульсаций на выходе выпрямителя оценивают коэффициентом пульсаций – Кп, который определяется отношением амплитуды первой гармоники к средней величине выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя Кп=1,57; для двухполупериодного выпрямителя Кп=0,67, поэтому двухполупериодный выпрямитель предпочтительнее.
Сглаживающий фильтр
Для сглаживания пульсаций выходного напряжения применяются фильтры. В качестве простейшего фильтра можно использовать конденсатор C1 большой емкости, включенный параллельно выпрямителю. Простейший фильтр применяется, если сила тока небольшая - доли ампера. Для больших токов применяют фильтры, состоящие из катушек индуктивности L, включенных последовательно, и конденсаторов C1, C2, включенных параллельно. Фильтр с одной катушкой индуктивности L, включенной последовательно, и двумя конденсаторами C1, C2, включенными параллельно, называется П-образным.
Как уже отмечалось, для нормальной работы электронного устройства напряжения питания должно быть постоянным, поэтому пульсации напряжения являются очень вредным явлением и с ними надо бороться. Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания пульсаций Ксгп.
Ксгп= Кпвх/Кпвых , где Кпвх коэффициент пульсаций до фильтра, а Кпвых - коэффициент пульсаций после фильтра. Чем больше коэффициент сглаживания пульсаций фильтра, тем меньше величина пульсаций после фильтра и тем лучше спроектирован фильтр.
Далее рассмотрим более подробно временные диаграммы напряжений в однополупериодном выпрямителе, после которого установлен конденсатор в качестве простейшего фильтра. Диаграммы приведены на рис 2. В интервале времени t2 – t1 диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора С. Постоянная времени заряда tзар = С (Rн ½½ Rпот), где сопротивление потерь Rпот=Rпр.ср + Rтр (Rтр – активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда Rпот<Rн и tзар » С Rпот. В остальную часть периода t3 – t2 диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается tразр » С (Rн (Rобр ½½ Rпот)
   |
Рис. 2 Сигнал после однополупериодного выпрямителя (тонкая линия) и после простейшего фильтра – конденсатора (толстая линия).
Поскольку у правильно выбранных диодов их обратное сопротивление Rобр >>Rтр + Rн, постоянная времени разряда tразр » С Rн и tзар<< tразр т.е., процессы заряда и разряда конденсатора С идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения на диоде Uс = Umax - DU, обратное напряжение может достигать величины Uобр = 2Umax. Поэтому диод выбирают с Uобр.макс > 2Umax.
Особенности двухполупериодного мостового выпрямителя заключаются в том,что за период через диоды VD2 - VD5 протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диоды VD2 и VD5, в другом – через диоды VD3 и VD4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в два раза по сравнению с однополупериодной схемой Uобр.макс > Umах. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в двух полупериодах протекает в противоположных направлениях.
Стабилизатор напряжения.
Напряжение на выходе блока питания может изменяться при изменении напряжения в электросети и при изменении величины потребляемого тока. Для уменьшения этих изменений применяют стабилизаторы напряжения. Стабилизаторы напряжения бывают двух видов: параметрические (их также называют линейными) и импульсные.
Параметрические стабилизаторы проще по своему устройству, но имеют низкий коэффициент полезного действия (КПД). Они работают по принципу уменьшения величины напряжения на выходе фильтра, которое делают заведомо большей величины, до требуемой величины. При этом излишняя величина напряжения теряется бесполезно, нагревая балластный резистор или транзистор. Такой принцип стабилизации напряжения можно сравнить с поддержанием постоянного уровня воды в бочке, если на нужной высоте сделать дренажное отверстие. Тогда излишняя вода будет бесполезно выливаться наружу, а ее уровень будет постоянным при различном оттоке из сливного отверстия.
Импульсные стабилизаторы напряжения работают по принципу импульсной подачи напряжения на конденсатор, выполняющий роль сглаживающего фильтра, импульсами различной длительности. Чем больше величина потребляемого тока, тем больше длительность импульсов. Длительность импульсов также увеличивается при уменьшении величины напряжения в электросети. В этом случае бесполезные потери энергии сведены к минимуму, и такие стабилизаторы имеют высокий КПД. В импульсных стабилизаторах напряжения сглаживающий фильтр устанавливают после стабилизатора.
В данной работе исследуется простейший параметрический стабилизатор напряжения, выполненный на стабилитроне VD6 и резисторе R2. Качество стабилизатора может быть оценено коэффициентом стабилизации Кст=(DU вх /(Uвх ном) / (DU вых /Uвых ном), где DU вх – изменение входного напряжения, Uвх ном - номинальная величина напряжения во вторичной обмотке трансформатора (максимальная величина напряжения в данной работе), DU вых – изменение выходного напряжения после стабилизатора, Uвых ном - номинальная величина напряжения после стабилизатора, соответствующая максимальной величине напряжения во вторичной обмотке трансформатора. Оценка коэффициента стабилизации должна проводиться при максимальном токе нагрузки.
Задание.
Опыт 1. Измерить напряжения вторичной обмотки трансформатора с помощью осциллографа.
Активизировать контрольную точку КТ1 первой клавишей коммутатора.
Переключатель SA1 поставить в положение 13,9
Переключатели SA2 – SA6 поставить в следующие положения:
1, 5, 7,17, 22.
Настроить осциллограф, включив открытый вход. На осциллографе С1-72 нажать кнопку с обозначением:
На осциллографе С1 –68 поставить тумблер в положение «».
Подключить измерительный кабель осциллографа к стенду, соединив штекер «земля» с любым заземленным гнездом стенда. Временно установить сигнальный штекер осциллографа в соседнее заземленное гнездо стенда и в этом положении установить нулевую линию на верхней границе экрана, а затем установить сигнальный штекер осциллографа на место, подключив к верхнему гнезду «КТ». Переключатель «Усилитель Y» поставить в такое положение, чтобы полезный сигнал занимал максимальную площадь экрана.
Ручками «стабильность» и «уровень» добиться неподвижной картинки. Ручкой «время / деление» выделить на экране 2 – 4 полуволны.
Измерение амплитуды сигнала в этом случае производится путем отсчета делений на экране от его верхней границы. (Делить на 2 в этом случае не надо!)
Напомним, что категорически запрещается подсоединять заземленный штекер осциллографа к незаземленным точкам схемы.
Изменяя положения переключателя SA1 от 7,6 до 13,9 измерить амплитудные значения напряжения и рассчитать их среднеквадратичные величины. Заполнить таблицу 1, используя формулу:
Uскв = 0,707 Uа
Отметить насколько измеренные значения среднеквадратичных величин отличаются от указанных на переключателе. Объяснить, с чем связаны эти отклонения.
Таблица 1.
| Номинальное напряжение, указанное на переключателе | 7.6 | 8.9 | 11,3 | 12,6 | 13,9 | |
| Амплитудное значение напряжения Ua | ||||||
| Среднеквадратичное значение напряжения Uскв | ||||||
| Отклонение измеренных величин напряжения от номинальных |
Опыт 2. Измерить пиковые значения напряжения после выпрямителя с помощью осциллографа для однополупериодного выпрямителя для чего поставить переключатель SA2 в положение - 5 и для двухполупериодного выпрямителя, поставив переключатель в положение – 6).
Активизировать контрольную точку КТ2 второй клавишей коммутатора.
Переключатели SA3 – SA6 поставить в следующие положения:
1, 7,17, 22.
Изменяя положения переключателя SA1 от 7,6 до 13,9 и не изменяя настройки осциллографа измерить пиковые значения напряжения выпрямителя Umax 1 и Umax 2. Рассчитать падение напряжения на диодах, сравнивая полученные пиковые напряжения с амплитудными Ua из таблицы 1.
Заполнить таблицу 2, используя формулы:
Uдиода = Uа- Umax 1
Uмоста = Uа- Umax 2 , где Uа - амплитудное напряжение вторичной обмотки трансформатора, Umax 1 - пиковое значение после однополупериодного выпрямителя, Umax 2 - пиковое значение после двухполупериодного выпрямителя
Примечание: Измерения производить по той же методике, что и в первом опыте, не изменяя настройки осциллографа.
Таблица 2.
| Номинальное напряжение, указанное на переключателе | 7.6 | 8.9 | 11,3 | 12,6 | 13,9 | |
| Однополупериодный выпрямитель, пиковое напряжение Umax1 | ||||||
| Падение напряжение на диоде Uдиода | ||||||
| Двухполупериодный выпрямитель, пиковое напряжение Umax 2 | ||||||
| Падение напряжение на диодах выпрямительного моста Uмоста |
Опыт 3. Определить коэффициент пульсации напряжения после фильтра, для чего активизировать контрольную точку КТ4 четвертой клавишей коммутатора.
Переключатель SA1 поставьте положение 13,9
Переключатели SA2 – SA6 поставить в следующие положения:
2, 5 или 6, 7,17, 21 или 22.
Для того, чтобы определить пиковые значения напряжения после фильтра и однополупериодного выпрямителя - Umax5 поставьте переключатель SA2 в положение – 5, а после фильтра и двухполупериодного выпрямителя - Umax6 – поставьте переключатель SA2 в положение – 6. Если переключатель SA3 поставить в положение 22, то включен простейший фильтр, а в положении 21 – П-образный.
Настройку осциллографа оставьте из предыдущего опыта.
Результаты занесите в таблицу 3.
Для того, чтобы измерить величину пульсаций DU и рассчитать коэффициент пульсаций на выходе простейшего и П-образного фильтров необходимо включить в осциллографе закрытый вход.
На осциллографе С1-72 отжать кнопку с обозначением:
На осциллографе С1 –65 поставить тумблер в положение «».
Временно установить сигнальный штекер осциллографа в соседнее заземленное гнездо стенда и в этом положении установить нулевую линию в середине экрана, а затем установить сигнальный штекер осциллографа на место, подключив к верхнему гнезду «КТ». Переключатель «Усилитель Y» поставить в такое положение, чтобы полезный сигнал занимал максимальную площадь экрана.
Ручками «стабильность» и «уровень» добиться неподвижной картинки. Ручкой «время / деление» выделить на экране 2 – 4 периода сигнала пульсаций.
Величина пульсаций DU – определяется как разность между верхним и нижним пиковыми значениями.
Коэффициент пульсаций на выходе простейшего и П-образного фильтров рассчитать по формуле: Кп = DU / (Umax -DU/2).
Рассчитайте коэффициент сглаживания пульсаций Ксгп= Кпвх/Кпвых, где Кпвх - коэффициент пульсаций до фильтра, Кпвых, - коэффициент пульсаций после фильтра. Из теории известно, что коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя – Кп=1,57, а двухполупериодного - Кп=0,67
Заполнить таблицу 3.
Таблица 3.
| Положение переключателей | 5 и 22 | 5 и 21 | 6 и 22 | 6 и 21 |
| Однополупериодный выпрямитель, пиковое напряжение Umax5 | ------ | ------ | ||
| Пульсации напряжения DU5 | ------ | ------ | ||
| Двухполупериодный выпрямитель, пиковое напряжение Umax6 | ------ | ------ | ||
| Пульсации напряжения DU6 | ------ | ------ | ||
| Коэффициент пульсаций Кп |
Опыт 4. Определить коэффициент стабилизации напряжения для двух случаев: минимальной и максимальной нагрузки для чего активизировать контрольную точку КТ5 пятой клавишей коммутатора.
Для изменения напряжения переключатель SA1 переставьте из положения 13,9 в положение 7,6
Переключатели SA2 – SA6 поставить в следующие положения:
2, 6, 8,17 или 20, 21.
Коэффициент стабилизации рассчитайте по формуле:
Кст=(DU вх /(Uвх ном) / (DU вых /Uвых ном).
Максимальное напряжение Uвх ном определяется по средне-квадратическому значению из таблицы 1. Изменение входного напряжения DUвх определите также из таблицы 1 как разность между максимальным и минимальным среднеквадратическим значением.
DU вых – изменение выходного напряжения после стабилизатора, Uвых ном - номинальная величина напряжения после стабилизатора, соответствующая максимальной величине напряжения во вторичной обмотке трансформатора.
Сделать вывод.
Контрольные вопросы.
1. Как работают однополупериодный и двухполупериодный мостовой выпрямитель?
2. Каковы основные параметры выпрямителей?
3. На чем основана работа LС – фильтра и что такое коэффициент сглаживания?
4. Как определяется коэффициент стабилизации стабилизатора?
5. Объясните работу параметрического стабилизатора.
6. В чем отличие работы диода в однополупериодной и двухполупериодной мостовой схемах?
Литература.
1. Основы промышленной электроники: Учеб. для неэлектротехнических спец. вузов; Под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1986. – 336с.,ил.
2. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. СПб.: КОРОНА принт, 1998. – 400с., ил.
3. Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Радио и связь, 1983. – 128 с., илл.
4. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем: Учеб. Для студентов радиотехн. Спец. Вызов. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Высшая школа, 1984. – 280 с., илл.