Однополупериодный выпрямитель с простым С-фильтром

 

Однополупериодный выпрямитель с простым С-фильтром (рис. 4.8) имеет круто падающую нагрузочную характеристику (зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки) и значительный коэффициент пульсаций. Временная диаграмма однополупериодного выпрямителя с простым С-фильтром показана на рис. 4.9.

 

 

Рис. 4.8

 

Рис. 4.9

 

Разряд конденсатора фильтра определяется постоянной времени разряда

.

Коэффициент пульсаций вычисляется по формуле

.

Чем больше емкость конденсатора, тем меньше коэффициент пульсаций, но тем больше амплитуда зарядного тока через диод, а значит, и больше падение напряжения на выходном сопротивлении выпрямителя (рис. 4.9). В отсутствие нагрузки (на холостом ходу) напряжение на конденсаторе фильтра достигает . Такие выпрямители обычно применяются для построения вспомогательных (маломощных) источников питания.

 

Двухполупериодный выпрямитель с простым С-фильтром

Применение двухполупериодного выпрямителя с простым С-фильтром (рис. 4.10), вследствие удвоенной частоты пульсаций, позволяет уменьшить габариты сглаживающего фильтра. По сравнению с выпрямителем с выводом от средней точки, где обмотки трансформатора используются примерно на 35...40%, в мостовом выпрямителе обмотка работает оба полупериода, поэтому коэффициент ее использования достигает 80%. Кроме того, в нем можно использовать диоды с вдвое меньшим допустимым напряжением.

 

 

Рис. 4.10

 

Недостаток мостовой схемы – удвоение числа диодов по сравнению с выпрямителем с выводом от средней точки. Однако суммарное сопротивление постоянному току двух диодов и обмотки мостового выпрямителя чаще оказывается меньше сопротивления одного диода и обмотки выпрямителя с выводом от средней точки.

Временная диаграмма, иллюстрирующая работу однофазного мостового выпрямителя с емкостным фильтром, приведена на рис. 4.11.

 

Рис. 4.11

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Запустить программу MultiSym. Загрузить схему исследования <ЛР№4 1.msm>. Появится схема, имеющая следующий вид:

 

4.2. Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу окна .

4.3. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов без емкостного фильтра и с емкостным фильтром.

4.4. Измерить коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания. Для измерения постоянной и переменной составляющих напряжения использовать мультиметр.

4.5. Снять внешнюю характеристику схемы U _Н= f (I _Н).

4.6. Исследовать работу приведенной схемы с Г-образным LC-фильтром, П-образным LC-фильтром.

4.7. Открыть файл <ЛР№4 2.msm>. Появится схема, имеющая следующий вид:

 

4.8. Повторите пункты 4.3. – 4.5. для схемы 4.7.

4.9. Собрать самостоятельно схему двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки и исследовать ее.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Объясните назначение выпрямителя.

2. Назовите основные характеристики выпрямителя.

3. Что такое коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания?

4. Какие недостатки и достоинства имеют однополупериодные схемы выпрямления?

5. Объясните влияние емкости конденсатора на коэффициент пульсаций в схеме однополупериодного выпрямителя.

6. Сравните двухполупериодные схемы выпрямления: мостовую и с выводом от средней точки.

7. Одинаковы ли частоты входного и выходного напряжений двухполупериодного выпрямителя?

8. Какая схема выпрямителя характеризуется наименьшей амплитудой пульсаций на выходе?

9. Объясните принцип действия сглаживающего С-фильтра.

10. Объясните принцип действия сглаживающего L-фильтра.

11. Объясните принцип действия сглаживающего LС-фильтра.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное исследование построения стабилизаторов напряжения

 

ЗАДАНИЕ

2.1. Изучить принцип работы параметрического и компенсационного стабилизаторов.

2.2. Снять и построить характеристики стабилизаторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При эксплуатации полупроводниковых устройств систем автоматики, измерительных приборов, вычислительной техники и бытовой электроники широкое распространение получили транзисторные стабилизаторы напряжения. Они предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки. Одновременно стабилизаторы обеспечивают снижение пульсации напряжения на выходе выпрямителя.

Стабилизаторы разделяются на параметрические и компенсационные. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения изображена на рис. 5.1.

Рис. 5.1

 

Стабилитрон VD в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору R _Н. Для ограничения тока через стабилитрон включают балластный резистор R _Б. Напряжение на выходе стабилизатора

U _ВЫХ= U _ВХ – R _Б I.

При увеличении напряжения U _ВХ, например из-за повышения напряжения сети, увеличится ток I, однако из-за свойств стабилитрона напряжение на нем останется практически неизменным. Соответственно, и напряжение на резисторе R _Н (напряжение U _ВЫХ) тоже не изменится.

Чаще всего применяются компенсационные стабилизаторы с последовательным включением регулирующего транзистора. Схема источника питания со стабилизированным выходным напряжением, приведенная на рис. 5.2, содержит:

регулирующий проходной транзистор VT1;

усилительный транзистор VT2;

кремниевый стабилитрон VD, являющийся источником опорного напряжения.

делитель напряжения, содержащий постоянные резисторы , и потенциометр , обеспечивающий возможность регулировки выходного напряжения.

Рис. 5.2

 

Выходное напряжение стабилизатора .

Принцип действия стабилизатора заключается в том, что изменение выходного напряжения по любой причине автоматически компенсируется изменением падения напряжения на транзисторе VT1. Транзистор VT2 работает в режиме усилителя постоянного тока и увеличивает разность между измеряемым напряжением (напряжение между движком потенциометра и общей шиной) и напряжением стабилизации стабилитрона . Действительно, . Напряжение на стабилитроне постоянно, поэтому при изменении напряжения на выходе, например при его увеличении, увеличивается напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2. Это приводит к увеличению тока базы и тока его коллектора, так как .

Ток базы регулирующего транзистора и ток коллектора усилительного транзистора связаны очевидным соотношением , поэтому увеличение тока приводит к уменьшению тока . Транзистор VT1, работающий в линейном режиме, увеличивает своё сопротивление – падение напряжения на нём возрастает, а напряжение на выходе возвращается к прежнему уровню в пределах ошибки стабилизации. Уровень стабилизированного напряжения на выходе можно регулировать, перемещая движок потенциометра

, (где – коэффициент деления делителя).

Конденсатор обеспечивает напряжение питания нагрузки при быстрых изменениях ее тока. Конденсатор обеспечивает гибкую отрицательную обратную связь и служит для устранения автоколебаний в системе. Резистор обеспечивает нормальный режим стабилизации стабилитрона VD. Качество стабилизации напряжения характеризуется двумя параметрами:

Коэффициент стабилизации К _СТ показывает в относительных единицах во сколько раз колебание выходного напряжения меньше колебаний входного напряжения при постоянном сопротивлении нагрузки:

при

Выходное сопротивление R _ВЫХ стабилизатора показывает, как изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. Знак «минус» учитывает, что при увеличении тока нагрузки напряжение уменьшается.

, при .

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Запустить программу MultiSym. Загрузить схему исследования

<ЛР№5 1.msm>. Появится схема, показанная на рис. 5.3.

4.2. Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу окна .

4.3. Изменяя напряжение источника питания, снять зависимость изменения напряжения на нагрузке от изменения входного напряжения U _Н= f (U _ВХ).

4.4. Изменить сопротивление нагрузки (уменьшить его в два раза) и снять зависимость изменения напряжения на нагрузке от изменения тока нагрузки U _Н= f (I _Н) при входном напряжении 15 В.

4.5. По данным измерений построить графики характеристик стабилизатора U _Н= f (U _ВХ) и U _Н= f (I _Н)

4.6. По характеристикам стабилизатора напряжения определить графоаналитическим методом коэффициент передачи напряжения К _П = (U _Н/ U _ВХ) и коэффициент стабилизации К _СТ = (D U _ВХ/D U _Н) К _П

4.7. Загрузить схему исследования источника питания постоянного тока с компенсационным стабилизатором <ЛР№5 2.msm>, показанную на рис. 5.4.

4.8. Снять внешнюю характеристику стабилизатора U_вых=f(I_н).

4.9. Снять зависимость U_вых=f(U_вх).

4.10. Вычислить значения R_вых и К_ст.

 

Рис. 5.3

 

Рис. 5.4

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Какую роль играет стабилитрон в схеме стабилизатора?

2. Объясните принцип работы параметрического и компенсационного стабилизатора.

3. Как будет изменяться напряжение на выходе компенсационного стабилизатора, если перемещать движок потенциометра R_п вниз (рис. 5.2)?

4. Каково назначение транзистора VT2?

5. Как можно добиться меньшего угла наклона внешней характеристики источника питания?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6