Лабораторная работа №4
Исследование схем выпрямителей
Задание 1. Исследовать однополупериодный выпрямитель переменного тока
Собрать схему для исследования однополупериодного выпрямителя.
Изображения экрана осциллографа и осциллограммы входного
и выходного напряжений
Задание 2. Исследовать однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром
Собрать схему для исследования однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.
Контрольные вопросы
1. Как работает выпрямительный диод?
Выпрямительный диод (также называют вентилем) — это разновидность полупроводникового диода который служит для преобразования переменного тока в постоянный.
Принцип работы, основные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов можно рассмотреть используя их вольтамперную характеристику (ВАХ), которая схематично представлена на рисунке 1.
Она имеет две ветви, соответствующие прямому и обратному включению диода.
При прямом включении выпрямительного диода ощутимый ток через него начинает протекать при достижении на диоде определенного напряжения Uоткр. Этот ток называется прямым Iпр. Его изменения на напряжение Uоткр влияют слабо, поэтому для большинства расчетов можно принять его значение:
- 0,7 Вольт для кремниевых диодов,
- 0,3 Вольт - для германиевых.
2. Основные параметры выпрямительного диода?
Основными параметрами выпрямительных Диодов, характеризующими их работу в выпрямительных схемах, являются: среднее за период значение выпрямленного тока Iпр ср, который может длительно проходить через диод при допустимом его нагреве; среднее за период значение прямого напряжения Uпр ср, которое однозначно определяется по вольт-амперной характеристике при заданном значении Iпр ср; предельная частота fmax диапазона частот, в пределах которого ток Диода не уменьшается ниже заданного значения.
Важное значение имеют также параметры предельного электрического режима выпрямительного диода, а именно: максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uo6p max, которое длительно выдерживает диод без нарушения нормальной работы; максимально допустимый постоянный ток Iпр max диода. В настоящее время серийно выпускаются выпрямительные столбы и блоки, содержащие в одном корпусе совокупности диодов или полные схемы выпрямителей.
3. Что произойдет с диодом при прямом токе, превышающем допустимое значение?
Прямой ток диода до бесконечности увеличивать нельзя, при его определенном значении Iпр.макс этот полупроводниковый прибор выйдет из строя. Кстати, существуют две основные неисправности полупроводниковых диодов:
- пробой - диод начинает проводить ток в любом направлении, то есть станет обычным проводником. Причем, сначала наступает тепловой пробой (это состояние обратимо), затем электрический (после этого диод можно смело выбрасывать),
- обрыв - здесь, думаю, пояснения излишни.
4.Почему необходимо ограничивать значение обратного напряжения?
Если диод подключить в обратном направлении, через него будет протекать незначительный обратный ток Iобр, которым, как правило, можно пренебречь. При достижении определенного значения обратного напряжения Uобр обратный ток резко увеличивается, прибор, опять же, выходит из строя.
5. Принцип действия однополупериодного выпрямителя?
Выпрямители по однополупериодной схеме применяются в основном с емкостным фильтром и обычно рассчитаны на выпрямленные токи до десятков миллиампер.
К достоинствам такого выпрямителя относится: простота и возможность работать без наличия трансформатора. К недостаткам: низкая частота пульсаций, высокое обратное напряжение на вентиле, плохое использование трансформатора (если он есть), подмагничивание сердечника постоянным током.
Однополупериодная схема - в которой ток проходит через вентиль только в течение одного полупериода переменного напряжения источника
6.Принцип действия выпрямителя с емкостным фильтром?
Как работает С-фильтр?
Принцип работы сглаживающих фильтров основывается на свойствах конденсатора и катушки индуктивности. Они выполняют роль резервуара энергии. Как известно, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, а на индуктивности ток не может мгновенно возрасти или исчезнуть. Эти свойства и положены в основу работы сглаживающих фильтров, рассмотрим это на примерах.
Схема С-фильтра (емкостной)
На рисунке выше, к первичной обмотке трансформатора подводиться переменное напряжение U, ко вторичной обмотке подсоединена нагрузка Rн, через которую должен протекать постоянный (выпрямленный) ток. Роль выпрямителя в представленной схеме играет диод, как работает полупроводниковый диод, Вы можете прочесть здесь. Конденсатор С – фильтрующий элемент.
Вид выходных тока и напряжения на С-фильтре
Действия диода во вторичной цепи трансформатора описывает серая, пульсирующая кривая. Если быть точным, диод обрезал отрицательную часть переменного напряжения, он пропускает только положительную волну, а при приложении отрицательного напряжения – запирается. Конденсатор С, как уже говорилось раннее – резервуар энергии. Когда диод открыт и ток протекает через нагрузку, то конденсатор (подсоединен параллельно) заряжается до величины напряжения в цепи. А когда диод закрыт (отрицательная волна синусоиды), благодаря наличию емкости, уровень напряжения не может резко снизиться. Конденсатор постепенно разряжается через нагрузку, таким образом, сглаживая огромные скачки уровня напряжения. Разряжается он до следующей положительной волны, а точнее, когда напряжение на катоде диода превысит напряжение на конденсаторе. И он вновь начнет заряжаться. Такая цикличность действий будет происходить постоянно. Красный цвет линии изображает работу такой смоделированной системы.
Если в качестве выпрямителя применять диодный мост, то выходные ток и напряжения приобретут следующий вид:
Благодаря тому, что диодный мост работает и при положительном, и при отрицательном напряжении - пульсность увеличилась в два раза.
Обратите внимание на вид тока (синий), из-за наличия конденсатора ток имеет резкий скачок, что в свою очередь не есть хорошо для любого электроприбора. На помощь в сложившейся ситуации приходит катушка индуктивности.