Зависимость постоянной и переменной составляющих выпрямленного напряжения от тока нагрузки

Пусть на вход однополупериодного выпрямителя подаётся гармонический сигнал . Диод выпрямителя будем считать идеальным.

На рисунке 9 приведены следующие временные диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямителя:

- напряжение на входе выпрямителя  (см. рис. 9а);

- выходное напряжение, снимаемое с резистора нагрузки , а также постоянная составляющая выходного напряжения  (см. рис. 9б);

- выходной ток диода (см. рис. 9в).

При положительном напряжении на диоде через него проходит ток, конденсатор С заряжается. Постоянная цепи заряда , где  - сопротивление диода в прямом направлении, С – ёмкость конденсатора. Обкладка конденсатора, соединённая с катодом диода заряжается в полярности «+». В этом случае выходное напряжение становится отрицательным по отношению к диоду, т.е. действует на него в запирающем направлении. Диод закрывается, и конденсатор начинает разряжаться через резистор R. Постоянная цепи разряда . Если  (), то выходное напряжение  можно считать примерно равным постоянной составляющей:  (см. рис 9б).

Входное напряжение равно сумме напряжений на диоде и резисторе R:

.

Значит,

.                                         (1)

При значениях  диод находится в запертом состоянии, и ток через диод не протекает. При  диод открыт, и через него течёт ток. Следовательно, ток через диод будет протекать только в промежутки времени, когда положительная полуволна  превышает  (см. рис. 9б,в).

 

 

Рис.9

 

Пусть через диод начинает протекать ток. Для предельного случая . Тогда формула (1) примет вид:

или

.

 

Получим значение для  как

.

На рисунке 9в можно увидеть, что

2ω .

Тогда,

.                                            (2)

Полученная величина ϴ, равная половине длительности импульса тока, выраженная в угловых единицах, называется углом отсечки. Из (2) следует, что ϴ можно определить из отношения постоянной составляющей к амплитуде входного колебания.

Из (2) получим

.

С учётом последней формулы выражение (1) примет вид:

 

.                                      (3)

Величина тока диода, и тока нагрузки (поскольку диод и резистор соединены последовательно) равна

и зависит от угла отсечки, который, в свою очередь зависит от соотношения постоянной составляющей и амплитуды входного напряжения.

Из последней формулы следует, что выходной ток (ток нагрузки) состоит из переменной составляющей с амплитудой  и постоянной составляющей .

На рисунке 10 приведены графики зависимости постоянной и переменной составляющих выпрямленного напряжения от тока нагрузки (слева – для однополупериодного, а справа – для двухполупериодного выпрямителя), а на рис.11 схема электрической цепи для снятия этой зависимости в двухполупериодном выпрямителе.

 

Рис.10

Рис.11

 

Переменное напряжение на вход выпрямителя подают с клемм «~» источника В-24. Пусть вольтметром V₁ измеряют постоянную составляющую выпрямленного напряжения. Тогда в качестве вольтметра V₁ можно взять любой прибор, измеряющий постоянное напряжение (например, АВО-63 или Щ4313). Пусть вольтметром V₂ измеряют переменную составляющую выпрямленного напряжения, тогда для её измерения можно использовать прибор В3-38. Значение переменной составляющей можно определить умножив показания вольтметра на . Для измерения силы выпрямленного тока можно использовать любой амперметр постоянного тока (например, АВО-63 или Щ4313).

 

Лабораторные задания:

1. Получить на экране осциллографа диаграммы на входе и выходе однополупериодного выпрямителя согласно таблицы 2. Все обозначенные осциллограммы зарисовать с учётом масштаба осей в тетради в соответствующей графе таблицы. Определить, используя осциллограф, коэффициент пульсаций для всех полученных осциллограмм выходных сигналов. Расчеты по определению коэффициента пульсаций представить в таблице 2.

2. Получить на экране осциллографа диаграммы на входе и выходе двухполупериодного выпрямителя согласно таблицы 3. Все обозначенные осциллограммы зарисовать в тетради с учётом масштаба осей в соответствующей графе таблицы. Определить, используя осциллограф, коэффициент пульсаций для всех полученных осциллограмм выходных сигналов. Расчеты по определению коэффициента пульсаций представить в таблице 2.

3. Подготовить в тетрадях для лабораторных работ следующую таблицу:

 

Таблица 4

Однополупериодный выпрямитель			Двухполупериодный выпрямитель
Постоянная составляющая U1, В	Переменная составляющая U2 , В	Ток нагрузки, Iн, mA	Постоянная составляющая U1, В	Переменная составляющая U2 , В	Ток нагрузки, Iн, mA

Для одно-и-двухполупериодного выпрямителей получить зависимости постоянной и переменной составляющих выпрямленного напряжения от тока нагрузки, сняв несколько точек и заполнив таблицу 4. Результаты измерений и графики представить в лабораторных тетрадях.

 

Литература:

1. Инструкции к приборам.

2. Иноземцев В.А., Иноземцева С.В. Введение в электронику / Под ред. В.А. Иноземцева. - Брянск: Издательство БГПУ, 2000. - 150 с.

3.  Балакший В.И., Белов А.А. Амплитудное детектирование. Методическая разработка к одноименной задаче «Практикума колебаний» кафедры физики колебаний. – М., изд. физического факультета МГУ, 2006, 19 с.

4.  http://ets.ifmo.ru/osipov/os1/2_1.htm

 

Таблица 2

Исследование временных диаграмм напряжения для однополупериодного выпрямителя

	Номиналы элементов на выходе цепи		Временные диаграммы	Коэффициент пульсаций k
	Rн, Ом	С, мкФ		Перемен ная составля ющая	Постоян ная составля ющая	k
вход	-	-		-	-	-
выход	68	-
	68	50
	200	50
	6200	50

Таблица 3

Исследование временных диаграмм напряжения для двухполупериодного выпрямителя

	Номиналы элементов на выходе цепи		Временные диаграммы	Коэффициент пульсаций k
	Rн, Ом	С, мкФ		Перемен ная составля ющая	Постоян ная составля ющая	k
вход	-	-		-	-	-
выход	68	-
	68	50
	200	50
	6200	50