Теоретич ески е свед ения.

1.1. Полупроводниковые выпрямители.

В большинстве случаев для питания электронной аппаратуры нужен постоянный ток, поэтому необходимо преобразование переменного напряжения и тока исходной питающей сети в постоянное напряжение и ток требуемого уровня. Такое преобразование осуществляется выпрямителями переменного тока. Для электронной аппаратуры чаще всего используют маломощные (и средней мощности) выпрямители, работающие от однофазной сети переменного тока с частотой обычно 50 Гц.

Структура однофазного полупроводникового выпрямителя с нагрузкой приведена на рис.2.1. Главным узлом такого выпрямителя является диодная схема (ДС) на одном или, как правило, нескольких полупроводниковых диодах; эта схема также называется вентилем, вентильной группой, диодным мостом. Переменное напряжение сети U1, поступает к диодам через силовой (сетевой) трансформатор Тр, который трансформирует это напряжение в переменное напряжение U2, необходимого уровня, а также осуществляет электрическую развязку сети и всей последующей схемы. Развязка совершенно необходима по условиям техники безопасности.

Рис.2.1.

Диодная схема ДС обеспечивает одностороннее протекание тока, т.е. преобразует переменный синусоидальный ток в пульсирующий ток, состоящий на выходе ДС из однополярных полуволн Uд(t) рис.2.2 (показан случай однополупериодного выпрямителя; не пропускаемые диодной схемой волны отмечены пунктиром). Полярность полуволн Uд(t) определяется соответствующей полярностью включения диодов (диода) в ДС.

Пульсирующее напряжение Uд(t) содержит нужную (“полезную”) постоянную составляющую, но содержит также и нежелательную переменную компоненту, которая имеет (в случае однополупериодного выпрямителя) частоту сети; она называется основной гармоникой или пульсацией. В простейших выпрямителях допускается наличие подобных пульсаций, нагрузка подключается непосредственно к выходу ДС.

А)

U2

Б)

Uд

Рис.2.2.

Обычно же для снижения уровня пульсации используются различные сглаживающие фильтры (СФ на рис.2.1). На входе СФ напряжение имеет низкий уровень пульсаций и является уже практически постоянным напряжением на нагрузке Uн. К основным электрическим параметрам выпрямителя относят: средние значения выпрямленных напряжения и тока в нагрузке Uн Iн внешнюю характеристику; коэффициент пульсаций и др. Внешняя характеристика является одной из важнейших характеристик выпрямительного устройства; она представляет собой зависимость выпрямленного напряжения на нагрузке Uн от выпрямленного тока нагрузки Iн: Uн=φIн. Обычно напряжение Uн не линейно снижается с ростом тока Iн.

Коэффициентом пульсации Кп называют отношение амплитуды переменной составляющей на выходе выпрямителя (основной гармоники пульсации) U к среднему значению выпрямленного напряжения Uн: Кп= U/ Uн.

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя без СФ приведена на рис.2.3. В данном случае ДС включает только диод VD1. Он пропускает в нагрузку Rн лишь положительную половину тока iн, т.к. оказывается открытым (прямосмещенным) только при положительной полуволне напряжения U2. Видно, что частота повторений тока iн, равна частоте тока сети. (рис.2.3)

а)

б)

Для такого простейшего выпрямителя его внешняя характеристика имеет простой вид и,согласно схеме рис.2.3, есть Uн=Uнх-(Rтр+Rпр)Iн, где Uнх – среднее выпрямленное напряжение на нагрузке при холостом ходе (Iн=0); Rтр и Rпр – соответственно сопротивления вторичной обмотки трансформатора Т1 и прямого сопротивления диода VD1 току Iн.

Для нахождения коэффициента пульсации Кп полуволновое напряжение Uн(t) представляют рядом Фурье: расчеты показывают, что амплитуда пульсаций и среднее выпрямленное напряжение равны U=0,5π Uн; Uн=Um/ π, где Um – амплитуда синусоидального напряжения U2(t). Таким образом, коэффициент пульсации в простейшем однополупериодном выпрямителе без СФ равен: Кп = π/2≈1.57.

Как уже отмечалось, для изменения полярности выпрямленного напряжения (полярности полуволн Uн,Iн) следует изменить в схеме рис.2.3 только полярность включения диода VD1.

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Однако он обладает большим коэффициентом пульсаций, пониженными значениями выпрямленных напряжения и тока, низким к.п.д. Такой выпрямитель применяют для питания высокоомных нагрузочных устройств, например, электронно-лучевых трубок, газоразрядных индикаторов и других устройств мощностью не более 10…15 Вт.

Чаще используют двухполупериодные выпрямители, которые используют оба полупериода напряжения сети и поэтому более свободны от указанных недостатков однополупериодного устройства. На рис.2.4а приведена упрощенная (без СФ) схема двухполупериодного выпрямителя мостового типа. Диодная схема ДС образована здесь четырехплечевым мостом из диодов VD1…VD4; к одной диагонали этого моста подключена вторичная обмотка трансформатора Т1, а к другой – нагрузка Rн; на схемах диодный мост можно изображать упрощенно (рис.2.4б).

а)

б)

в)

Рис.2.4

Из схемы видно, что при положительной полуволне напряжение U2 (“+” в точке “а” “-” в точке “в”) прямосмещенными и открытыми являются диоды VD3 и VD2; через них и протекает полуволна тока нагрузки iн от точки “а” к точке “в”; диоды VD1, VD4 в это время закрыты. В следующий полупериод (когда “+” в точке “в” и “-” в точке “а”) прямо смещены диоды VD4 и VD1, а диоды VD2, VD3 закрыты. Поэтому вторая полуволна тока iн протекает от точки “в” к точке “а” через диод VD4, нагрузку Rн и диод VD1. Как видно, обе полуволны тока iн протекают через нагрузку Rн в одном и том же направлении. Изменение полярности выпрямленного напряжения и тока и в данной схеме достигается изменением полярности включения всех диодов в мостовой схеме. Из диаграммы тока на рис.2.4а видно, что частота пульсаций в данном выпрямителе равна удвоенной частоте сети. Это заметно снижает коэффициент пульсаций и облегчает сглаживание выпрямленного напряжения. Ряд Фурье для напряжения Uн показывает, что в данном случае амплитуда пульсации и среднее выпрямленное напряжение равны U=(2/3)Uн; Uн=(2/π)Um, где Um – амплитуда синусоидального напряженя U2(t). Поэтому коэффициент пульсации в двухполупериодном выпрямителе без СФ равен Кп=2/3≈0,67.

На практике значения Кп обычно должны быть гораздо меньше, чем указанные выше. Так, питание усилительных каскадов требует значений Кк≈10^-3…10^-4, а в электронных измерительных устройствах коэффициент Кп достигает значений 10^-6…10^-7. Резкое снижение коэффициента пульсации обеспечивается включением сглаживающего фильтра СФ на выходе ДС. Пассивные СФ весьма разнообразны; обычно они содержат конденсаторы и катушки индуктивности (дроссели), которые оказывают соответственно очень малое и очень большое сопротивление пульсациям. Для постоянного же тока (выпрямленного) тока конденсатор эквивалентен почти разрыву, а дроссель – короткому замыканию.

По этим причинам дроссель в СФ включается последовательно с нагрузкой; при этом выпрямленный ток проходит через него беспрепятственно, а пульсации задерживаются. Конденсаторы в СФ включают параллельно нагрузке; при этом выпрямленный ток не ответвляется в конденсаторы, а пульсации, наоборот, замыкаются через них на корпус, минуя нагрузку.

1.2. Полупроводниковый параметрический стабилизатор напряжения.

Выпрямленное (и сглаженное) напряжение на нагрузке может претерпевать сравнительно медленные изменения своего уровня. Это происходит при изменении напряжения питающей сети, при колебаниях частоты тока в ней, при изменении нагрузки, температуры среды и при других дестабилизирующих факторах. Возникает нестабильность питающих напряжений. Обычно допускаемая относительная нестабильность питания составляет ~0,1…0,3%, но для некоторых измерительных приборов она должна быть ~10^-4%. Стабилизация напряжения питания осуществляется стабилизаторами (Ст) постоянного напряжения, которые включаются после выпрямителя (содержащего СФ) и поддерживают напряжение на нагрузке с заданной степенью точности. Простейшими из таких Ст являются параметрические. Их работа основана на том, что напряжение на некоторых электронных приборах, например, стабилитронах остается неизменным при изменениях тока через них в широких пределах. Схема такого Ст приведена на рис.2.5; она содержит стабилитрон VD1, включаемый обратносмещенным, и резистор R1, ограничивающий обратный ток стабилитрона. Как известно, стабилитрон обладает очень крутой (почти вертикальной) обратной ветвью своей, вольтамперной характеристики, т.е. в рабочей зоне прибора при значительных изменениях тока через стабилитрон на нем Uст остается практически неизменным: Uст=const.

Поэтому в схеме на рис 2.5 при изменениях уровня входного напряжения Uвх меняется ток Iст, соответственно меняется падение напряжения на резисторе R1, компенсируя изменение входного напряжения. Входное же напряжение Uн=Uст почти не меняется.

Рис.2.5.

Основным достоинствами параметрических стабилизаторов напряжения являются простота схемы и надежность работы. К недостаткам относят не слишком высокую степень стабилизации, небольшой к.п.д., высокое внутреннее сопротивление стабилизатора, сравнительно узкий диапазон стабилизируемого напряжения.

1.3. Компенсационный стабилизатор напряжения.

Рис.2.6

Такое усложнение схемы позволяет устранить недостатки, свойственные параметрическим стабилизаторам.

Принцип работы компенсационного стабилизатора с непрерывным регулированием заключается в следующем: схема сравнения (СС) сравнивает напряжение на входе стабилизатора, подаваемое на нагрузку, с постоянным опорным напряжением. Разность этих напряжений (сигнал рассогласования) подается через усилитель (У) на регулируемый элемент, сопротивление которого изменяется таким образом, чтобы напряжение на нагрузке оставалось постоянным.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения, исследуемого в лабораторной работе, приведена на рис.2.7.

Рис.2.7

С делителя R3, R4, R5 снимается напряжение Uд пропорциональное напряжению на сопротивлении нагрузки Rн. Это напряжение сравнивается в схеме сравнения, выполненной на транзисторе VT3 с опорным напряжением U0, на стабилитроне VD1. Разность напряжений ∆U=Uд-U0 определяет величину тока через транзистор VT3 и, следовательно, управляющее напряжение на базе составного транзистора VT1, VT2.

При возрастании напряжения на сопротивлении нагрузки растет ток через транзистор VT3 и напряжение на базе транзистора VT2. Сопротивление составного транзистора VT1, VT2 увеличивается, падение напряжения на нем растет, а на Rн падает. При уменьшении напряжения на сопротивлении нагрузки ток VT3 и сопротивление составного транзистора наоборот уменьшаются, что приводит к росту напряженияна Rн. Таким образом, поддерживается постоянство напряжения на сопротивлении нагрузки.

3.Описание лабораторной установки.

В состав лабораторной установки входят:

- лабораторный макет, содержащий исследуемые выпрямители, стабилизатор напряжения, а также измерительные приборы на входах и выходах схем и необходимые органы управления;

- осциллограф, используемый для наблюдения формы напряжений на выходе выпрямителя в отсутствие и при наличии в нем СФ, а также для измерения уровня пульсаций.

4. Порядок выполнения работы.

*Правила техники безопасности.

При выполнении работы следует строго выполнять правила техники безопасности, изложенные в инструкции по технике безопасности в лаборатории электротехники и электроники. При возникновении непонятных или опасных ситуаций немедленно предупреждать преподавателя или дежурного инженера

4.1Подготовка лабораторной установки к работе.

Включить общее питание установки – тумблер на стойке лабораторного стола справа; включить осциллограф. На лабораторном макете установить:

- тумблер “Сеть” – “Вкл.”;

- переключатель “Исследуемая схема” – в положение “1” (выпрямитель);

- переключатель “Регулятор выходного напряжения – “ГРУБО”” – в положение “10”.

Ознакомиться со схемой выпрямителя на макете, с измерительными приборами и их шкалами на входе и выходе выпрямителя, с органами управления (переключатели, ручки).

4.2 Исследование однополупериодного выпрямителя.

Простейший однополупериодный выпрямитель без СФ.

Выключить диодный мостик и СФ; для этого переключатели установить в следующее положения:

“Q1” – “Выкл.”;

“Q2” – “2”(дроссель фильтра Др закорочен);

“Q3” и “Q4” – “Выкл.”(конденсаторы фильтра С1 и С2 отключены).

Наблюдать и зарисовать осциллограмму выходного напряжения данного простейшего выпрямителя.

Снять внешнюю характеристику выпрямителя, т.е. зависимость Uн=φ(Iн). Для этого нагрузочным потенциометром Кн изменять ток нагрузки Iн (по “нагрузочному” миллиамперметру) с шагом 10 (десять) мА и фиксировать напряжение на нагрузке Uн (по “нагрузочному” вольтметру); результаты записывать в таблицу 4.1 (слева).

При токе нагрузки Iн=40мА измерить с помощью осциллографа и записать в табл.4.1 (в графе “Примеч.”) амплитуду Um полуволны выходного напряжения. Рассчитать затем амплитуду пульсации U=0.5Um и коэффициент пульсаций выпрямителя Кп=U/Uн, где значение Uн соответствует току Iн=40мА. В табл.4.1 сравнить результат с расчетной величиной Кпрасч=0,5П.

Таблица 4.1

Включить фильтр, т.е. дроссель Др и конденсаторы С1 и С2. Для этого переключатели установить в положения: “Q2” – в “1”, “Q3” и “Q4” – “Вкл.”. Наблюдать и зарисовать (резко изменившуюся) осциллограмму выходного напряжения выпрямителя; следует совместить ее с уже имеющейся осциллограммой по предыдущему пункту.

Аналогично предыдущему пункту снять внешнюю характеристику выпрямителя с СФ; данные занести в табл.4.1 (справа).

4.3 Исследование двухполупериодного выпрямителя.

Переключатель “Q1” – перевести в положение “Вкл.” – включить диодный мостик VD1…VD4. Данный двухполупериодный выпрямитель исследовать аналогично однополупериодному по п.п.4.2.1, 4.2.2; наблюдать и зарисовать осциллограммы выходного напряжения, результаты измерений занести в табл.4.2., в полной аналогии с табл.4.1 (без измерений Кп). При оформлении отчета снятые внешние характеристики выпрямителей следует отобразить графически на одном графике.

4.4 Исследование параметрического стабилизатора напряжения.

На лабораторном макете включить схему 2 стабилизатора: переключатель “Исследуемая схема” – в “2”; переключатель “Rдоб” – в положение “330 Ом”. Проверить, что в схеме двухполупериодного выпрямителя СФ ВКЛЮЧЕН. Нагрузочный потенциометр установить в среднее положение. Снять стабилизационную характеристику исследуемого стабилизатора напряжения, т.е. зависимость Uн=φ(Uвх), где Uн – напряжение на нагрузке стабилизатора; Uвх – напряжение на его входе. Напряжение Uвх рекомендуется менять от 0 до 25В с удобным шагом 2,5В (по вольтметру на входе), пользуясь входными регуляторами “ГРУБО” и “ПЛАВНО” на макете.

Результаты измерений занести в табл.4.3 (слева).

Повторить измерения, переведя переключатель “Rдоб” в положение “620 Ом”. Данные занести в табл.4.3 (справа).

Полученные характеристики отобразить при оформлении отчета на одном графике.

Таблица 4.3

4.5. Исследование компенсационного стабилизатора напряжения.

Переключатель “Исследуемая схема” перевести в положение “3”;

Установить регулятор Rн в среднее положение и снять зависимость Uн=f(Uвх), меняя Uвх от 0 до 22,5В с шагом 2,5В;

Установить входное напряжение Uвх=, снять зависимость Uвх=f(Iн), меняя Iн регулятором Rн от до с шагом.

Результаты измерений представить в виде таблиц и графиков.