Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики




Скачать 218.23 Kb.
НазваниеГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики
Дата публикации22.04.2013
Размер218.23 Kb.
ТипЛабораторная работа
shkolnie.ru > Физика > Лабораторная работа


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра прикладной химии и физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
Исследование полупроводниковых выпрямителей и сглаживающих

Фильтров

Уфа 2008


В лабораторной работе изложена теория и исследуются схемы полупериодного и двухполупериодного выпрямления однофазного переменного тока и двухполупериодного выпрямления трехфазного переменного тока без фильтра и с набором различных сглаживающих фильтров. По результатам экспериментов рассчитываются коэффициенты пульсаций, сглаживания и снимаются внешние характеристики различных выпрямителей.


СОСТАВИТЕЛИ: ГАРЕЕВ Г. Г., ст. преподаватель

РЯБИШИНА Л. А., преподаватель, к.т.н.

РЕЦЕНЗЕНТ ЖДАНОВ А. Г., доцент, к.т.н.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2008

^ Лабораторная работа

Исследование полупроводниковых выпрямителей и сглаживающих

Фильтров
1. Цель работы

Изучить наиболее распространенные электрические схемы выпрямителей и сглаживающих фильтров однофазного и трехфазного переменного тока и экспериментально определить их основные характеристики.
2. Основные теоретические положения

2.1. Назначение и структурные схемы выпрямительных устройств

Выпрямителем принято называть устройство для преобразования пере­менного тока в постоянный, например, при помощи диодов. Выпрямители яв­ляются составной частью источников питания практически всех электронных устройств автоматики, радиотехники и связи. Большую роль играют выпрями­тели также и в технике сильных токов, где с их помощью осуществляется пи­тание мощных промышленных установок постоянным напряжением (двигате­ли постоянного тока, контактные сети электрифицированного транспорта, сва­рочные устройства и т.д.).

В общем случае структурная схема неуправляемого выпрямительного устройства (рис.1) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.



Рис.1. Структурная схема выпрямительного устройства
Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения се­ти С до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор под­держивает неизменным напряжение на приемнике П нагрузки при изменении напряжения сети. Отдельные узлы (блоки) выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы.
^ 2.2. Полупроводниковые диоды

Основные элементы неуправляемого выпрямителя - полупроводниковые диоды (рис. 2а) - двухэлектродные приборы, электрическое сопротивление ко­торых зависит от полярности напряжения, приложенного к их переходу. Со­противление диода весьма мало, если к его аноду (р - область) приложено на­пряжение положительной полярности. В этом случае диод открывается и про­пускает значительный прямой ток. Если же к диоду приложить напряжение обратной полярности, то его сопротивление резко возрастает и ток через диод практически не идет.

Независимо от вида диода, его основные параметры следующие:

- средний ток при прямом включении диода Iпр. ср.;

- максимальное значение обратного напряжения Uo6p. макс.;

- величина внутреннего падения напряжения Uпp, обусловленного пря­мым током.

Электрический диод тем совершенней, чем выше значения величин Uo6p. , Iпр. и чем меньше величина Uпр.

Предельными эксплуатационными параметрами, характеризующими пре­дельный режим использования диода, являются Uo6p. и Iпр., по которым и выби­раются диоды. В таблице 1 даны технические данные наиболее применяемых диодов.

Таблица 1

Тип диода

Iдоп, А (пря­мой ток)

Uобр, В

Тип диода

Iдоп, А (пря­мой ток)

Uобр, В

Д209

0,1

400

Д218

0,1

1000

Д214А

10,0

100

Д242

5,0

100

Д7Г

0,3

200

Д232

10,0

400

Д224

5,0

50

КД202А

3,0

50

Д226

0,3

400

КД202Н

1,0

500



^ 2.3. Схемы выпрямления

Полупроводниковые диоды могут использоваться в различных схемах выпрямления. Существуют однополупериодное и двухполупериодное вы­прямление переменного однофазного или трехфазного напряжения. В настоя­щей работе используются однополупериодный и мостовой двухполупериод-ный выпрямители. Простейшей схемой является схема однополупериодного выпрямления переменного однофазного напряжения (рис. 2б).



Рис. 2. Полупроводниковый диод (а); электрическая схема (б) и временная диаграмма токов и напряжений (в) однополупериодного выпрямителя
В этом выпрямителе диод (вентиль) включен последовательно с нагру­зочным резистором RH и вторичной обмоткой трансформатора Тр, Первичная обмотка трансформатора питается от сети.

Из временных диаграмм (рис. 2в) видно, что ток нагрузки iH имеет пуль­сирующий характер. В течение первого полупериода напряжения U2, когда по­тенциал точки aа), положительный по отношению к потенциалу точки bb), то есть φa > φb, диод открыт и в нагрузочном резисторе RH протекает ток IH. Во второй полупериод полярность напряжения U2 изменяется на противо­положную, то есть φa < φb. При такой полярности диод закрывается, ток iH=0 и

к закрытому диоду будет приложено максимальное напряжение



Заметим, что при изменении полярности включения диодов полярность выпрямленного напряжения на нагрузке изменится: выпрямленное напряже­ние станет отрицательным.

Более эффективна схема двухполупериодного выпрямления (мостовая) (рис. 3), так как среднее значение выпрямленного напряжения здесь вдвое больше, чем в схеме однополупериодного выпрямления.



Рис. 3. Электрическая схема (а) и временные диаграммы токов и напря­жений (б) мостового двухполупериодного выпрямителя.
Четыре диода Д1-Д4 соединены по мостовой схеме. В один из полуперио­дов напряжения сети, когда зажим а вторичной обмотки трансформатора име­ет положительный потенциал по отношению к зажиму ba > φb), диоды Д1 и Д3 открыты, а диоды Д2 и Д4 закрыты (рис. За). Ток в этот полупериод имеет направление: зажим а, диод Д1, резистор Rh, диод Д3 и зажим b. В другой по­лупериод (φa < φb) диоды Д1 и Д3 закрыты, а диоды Д2 и Д4 открыты. Ток

протекает от зажима b через Д4, резистор Rh, диод Д2 к зажиму а. При этом через нагрузочное сопротивление Rh протекает ток одного направления, то есть постоянный ток.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления (рис. 4а) совмещаются прин­ципы однофазной схемы выпрямителя и многофазного выпрямителя.



Рис. 4. Электрическая схема (а) и временные диаграммы напряжений (б) трехфазного мостового выпрямителя
Выпрямитель подключается к трехфазному источнику переменного тока с напряжением ua, ub, uc (рис. 4б). Половина диодов выпрямителя (Д1, Д3, Д5) образуют группу, в которой соединены все катодные выводы, а у второй поло­вины диодов (Д2, Д4, Д6) соединены все анодные выводы. Пульсации вы­прямленного напряжения незначительные, а частота их равна удвоенному чис­лу фаз выпрямителя, то есть при трехфазном питании - шести пульсациям за период (рис. 4б). Заметим, что максимальное значение выпрямленного напря­жения в 1.73 раза больше амплитуды линейного напряжения трехфазного тока, тo ecть
Принципы построения управляемых однофазных и трехфазных выпрями­телей такие же, как и неуправляемых выпрямителей, но диоды, то есть не­управляемые вентили, заменяются тиристорами, то есть управляемыми венти­лями. Программа включения последних задается соответствующей последова­тельностью управляющих импульсов напряжения системы управления.
^ 2.4. Сглаживающие фильтры

Как видно из рассмотренных выше схем выпрямителей, выпрямленное напряжение (рис. 2, 3, 4) является пульсирующим периодическим несинусои­дальным напряжением. Оно может характеризоваться коэффициентом пульса­ций.



где Uн1m - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

U0 - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Для однополупериодного выпрямителя Р=1.57, для двухполупериодного мостового - Р=0.67, а для трехфазного мостового - Р=0.06.

Для питания радиоэлектронных схем и микросхем желательно, чтобы ко­эффициент пульсации постоянного тока был порядка 10-4...10-7. Для достиже­ния этой цели используют сглаживающие фильтры.

В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют конденсато­ры и индуктивные катушки. У конденсаторов сопротивление постоянному то­ку равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты. У индуктивных элементов сопротивление по­стоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току увели­чивается с ростом частоты.

При подключении конденсатора (емкостный фильтр) параллельно нагру­зочному устройству сопротивление фильтра для переменной составляющей тока значительно меньше, чем для постоянной составляющей. Поэтому в этом случае пульсации выпрямленного напряжения на нагрузочном устройстве зна­чительно уменьшаются.

При включении индуктивной катушки последовательно с нагрузочным устройством падение напряжения на нагрузке от переменной составляющей тока снизится, то есть пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

В данной работе исследуются три типа сглаживающих фильтров: емкост­ный, Г - образный LC-фильтр и П - образный CLC-фильтр (рис. 5), которые под­ключаются после выпрямителей (рис. 1).


Рис. 5. Схемы емкостного (а), Г - образного (б) и П - образного (в) фильтров
В маломощных выпрямительных устройствах вместо индуктивной катуш­ки обычно включают резистор Rф. В таком фильтре RфRн

На рисунке 6 приведена схема однополупериодного выпрямителя с емко­стным фильтром и поясняющие работу фильтра временные диаграммы.


Рис. 6. Схема (а) и временные диа­граммы токов и напряжений (б) однопо­лупериодного выпрямителя с емкостным фильтром
В интервале времени t1...t2 конденсатор Сф заряжается до амплитудного

значения напряжения U2m. С момента времени t2 напряжение u2 становится меньше напряжения на конденсаторе uc. При этом диод Д запирается, а кон­денсатор Сф начинает разряжаться на нагрузочный резистор Rн. Скорость раз­ряда Сф определяется постоянной времени . В момент времени t3 диод открывается и конденсатор начинает заряжаться вновь. Таким образом, в резисторе Rн в отрицательные полупериоды напряжения u2 за счет разряда Сф будет протекать ток iн, который определяется величиной uн (рис. 6б). При вы­боре емкости Сф необходимо соблюдать условие



где fосн.гарм - частота тока основной гармоники.

Фильтры характеризуются коэффициентом сглаживания



где Рвх и Рвых - коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра.

Зависимость Uн=f(Iн) называется внешней характеристикой выпрямитель­ного устройства с фильтром или без него. Эти зависимости нелинейны, так как сопротивление открытого диода зависит от величины тока.

При работе выпрямителя без фильтра часть выпрямленного напряжения падает на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора Rтр и на прямом сопротивлении открытого диода Rпp. Следовательно, с ростом тока нагрузки Iн увеличивается падение напряжения на этих сопротивлениях, а напряжение на нагрузке Uн уменьшается (рис. 7, кривая 1). Если в выпрямитель­ном устройстве имеется фильтр, то зависимость Uн=f(Iн) изменяется. Емкост­ному фильтру соответствует кривая 2, а Г - образному фильтру - кривая 3, рис. 7.


Рис. 7. Внешняя характеристика выпрямителей
В режиме холостого хода (Iн = 0) при включении фильтра выпрямленное напряжение Uн больше, чем напряжение Uoн в случае, когда фильтры отсутст­вуют. Наклон внешней характеристики с Г-образным или П - образным фильт­ром больше за счет увеличения падения напряжения на активном сопротивле­нии катушки индуктивности.
^ 3. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка содержит:

1.Стенд со схемами (собранными на диодах Д236Б), сглаживающими фильтрами и выключателями В1...В5, с помощью которых собираются необ­ходимые электрические цепи.

2.Измерительный блок, включающий в себя миллиамперметр, вольтметр и переменный нагрузочный резистор с выключателем В6.

3.Осциллограф типа С1-68.
^ 4. Порядок выполнения работы

4.1. Ознакомиться со схемами выпрямителей с фильтрами, которые на­ходятся на двух сторонах стенда.

4.2. Собрать на стенде схему однополупериодного выпрямителя. Для этого убрать два диода противоположных плеч моста ( Д1, Д3 или Д2, Д4) и подключить к схеме с учетом полярности измерительный блок (клеммы с, d) и осциллограф (клеммы a, b).

4.3. Выполнить исследование однополупериодного выпрямителя без фильтра, а также с наборами сглаживающих фильтров, указанных в таблице 2. Для этого установить положение выключателей (тумблеров) В1...В6 согласно таблице 2 и измерить переменную максимальную составляющую напряжения Um по осциллографу, а постоянную составляющую UО с помощью вольтметра. Данные эксперимента занести в таблицу 2. При выполнении всех опытов на­блюдать за осциллограммой напряжений, а ток в цепи нагрузки поддерживать равным 100 mА с помощью переменного резистора Rh.
Таблица 2


Схемы выпрямите­лей и фильтров


Положение выключателей

Данные экспери­мента


Расчетные данные

В1

В2

В3

В4

В5

В6

Um

U0

Uн1m

Рвх

Pвых

q

Однополупериодная

Без фильтра

1

0

1

0

1

1













_

_

Емкостной фильтр (С1)

1

1

1

0

1

1



















П-образный фильтр

12)

1

1

0

1

1

1



















Двухполупериодная (мостовая) однофазная

Без фильтра


1

0

1

0

1

1













_

_

Емкостной фильтр (C1)

1

1

1

0

1

1



















Г-образный фильтр(LС2)

1

0

0

1

1

1



















П-образный фильтр (LC2)

1

1

0

1

1

1




















Примечание 1. В таблицах 2, включенное положение выключателей В1...В6 (вверх) соответствует 1, а отключенное — 0. Перед включением выключателя В6 переменный резистор нагрузки Rh установить в положение максимума, по­вернув рукоятку регулятора по часовой стрелке до упора.

Примечание 2. Коэффициент пульсаций выпрямителя без фильтра является коэффициентом пульсаций на входе фильтра По этой формуле определяется и коэффициент пульсаций на выходе фильтра – Рвых, только напря­жения замеряют на выходе фильтра. Для однополупериодного выпрямителя расчетная величина напряжения первой гармоники определяется , а для двухполупериодного выпрямителя .

4.4. Отключить В1 и собрать на стенде схему двухполупериодного мос­тового выпрямителя путем правильного подключения диодов Д1...Д4 (смотри схему рис. 3).

4.5. Выполнить исследование однофазного мостового выпрямителя без фильтра, а также с набором сглаживающих фильтров, указанных в таблице 2, согласно пункту 4.3.

4.6. Снять внешние характеристики однофазного мостового выпрямите­ля без фильтра, а также с набором фильтров, указанных в таблице 3. При сня­тии внешних характеристик выпрямителей ток нагрузки изменять от значения I=0 (при выключенном В6) до I=300 mА (при включенном В6) с помощью пе­ременного резистора Rh. Данные опыта занести в таблицу 3, где указаны по­ложения выключателей В1...В6 для соответствующих выпрямителей и значе­ний токов нагрузки.
Таблица 3

Схемы выпрямите-

Положение выключате­лей

Данные эксперимента

лей и фильтров

В2

В3

В4

В5

В6

I(mA)

0

50

100

150

200

250

300

Двухполупериодная од­нофазная система

Без фильтра

0

1

0

1

0;1

U(B)






















Емкостной фильтр (С1)

1

1

0

1

0;1

U(B)






















Г-образный фильтр(LС)

0

0

1

1

0;1

U(B)






















П-образный фильтр

(СLС)

1

0

1

1

0;1

U(B)






















Двухполупериодная трехфазная система

Без фильтра

-

1

0

1

0;1

U(B)






















Емкостной

фильтр

-

1

1

1

0;1

U(B)






















Г-образный фильтр LC

-

0

1

1

0;1

U(B)























4.7. Снять внешние характеристики трехфазного мостового выпрямителя без фильтра, а также с набором указанных фильтров в таблице 3. Для этого не­обходимо перейти на стенде к схеме трехфазного мостового выпрямителя (об­ратная сторона стенда) и далее выполнять работу, как указано в пункте 4.6.

^ 5. Указания по оформлению отчета

5.1. Отчет должен в начале содержать точное название и цель работы.

5.2. Необходимо зарисовать электрические схемы выпрямителей, кото­рые находятся на двух сторонах стенда.

5.3. Представить заполненные таблицы 2, 3 по показаниям приборов и выполненным расчетам.

5.4. Построить в масштабе внешние характеристики, указанные в пунк­тах 4.6, 4.7.

5.5. Записать основные формулы, по которым рассчитываются коэффи­циенты пульсаций и коэффициенты сглаживания различных фильтров,

5.6. Сделать краткие, выводы по работе.
^ 6. Контрольные вопросы

6.1. Как работает полупроводниковый диод?

6.2. Вольтамперная характеристика диода.

6.3. Что называется прямым и обратным током и напряжением диода?

6.4. Как изменяется сопротивление диода при изменении полярности приложенного напряжения?

6.5. В чем преимущество двухполупериодного выпрямителя перед одно-полупериодным ?

6.6. Нарисуйте осциллограммы напряжений на нагрузке однополупериодного и двухполупериодного однофазного и трехфазного выпрямителя без фильтра.

6.7. Как изменится величина коэффициента пульсаций, если увеличить емкость фильтра Сф ?

6.8. Как зависит коэффициент сглаживания емкостного фильтра от со­противления нагрузки RH?

6.9. Преимущества и недостатки LC фильтра перед емкостным фильт­ром.

6.10. Поясните принцип работы П - образного CLC фильтра.
Список литературы

1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.:Высшая школа, 2000. - 530с.

2. Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника. - М.: Недра, 1990.- 374 с.

3. Основы промышленной электроники/ Под ред. ВТ. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1978. - 335 с.

Содержание

1. Цель работы...................................................................................3

2. Основные теоретические положения..........................................3

3. Описание лабораторной установки ...........................................10

4. Порядок выполнения работы......................................................10

5. Указания по оформлению отчета...............................................13

6. Контрольные вопросы.................................................................13

Список литературы..........................................................................13



Похожие:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального...
Домашние задания №1 и №2 по электротехнике и методические указания к ним для студентов строительного факультета
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального...
...
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального...
Ад делятся на два типа: электро­двигатели с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Наибольшее распространение во всех областях...
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconИ. Г. Ибрагимов (подпись) (инициалы, фамилия)
...
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconИ. Г. Ибрагимов (подпись) (инициалы, фамилия)
...
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconИ. Г. Ибрагимов (подпись) (инициалы, фамилия)
...
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconИ. Г. Ибрагимов (подпись) (инициалы, фамилия)
...
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconИ. Г. Ибрагимов (подпись) (инициалы, фамилия)
...
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconО предоставлении гранта
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»...
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «уфимский государственный нефтяной технический университет» Кафедра прикладной химии и физики iconФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение...
Предназначен для студентов заочной формы обучения по направлению подготовки: 240100 –«Химическая технология»
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница