Инструкция по технике безопасности.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)

/Университет машиностроения/

 

 

Драгунов С.С., Харитонов В.И.

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов, обучающихся по направлениям 220400.62 «Управление в технических системах», 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств», 221400.62 «Управление качеством», 151900.62 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 151700.62 «Машиностроение» и специальностям 220201.65 «Управление и информатика в технических системах», 190201.65 «Автомобиле и тракторостроение»

 

Под редакцией профессора

к.т.н. В.И. Харитонова

 

Москва 2013

 

 

Учебное пособие по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов, обучающихся по направлениям: 220400.62 «Управление в технических системах» и по специальности 220201.65 «Управление и информатика в технических системах», а также может быть использовано для других специальностей и направлений:

 

220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств»,

151900.62 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»,

151700.62 «Машиностроение»,

221400.62 «Управление качеством»,

190201.65 «Автомобиле и тракторостроение»

при изучении дисциплины по разделу «Электроника».

 

 

Рецензенты: профессор кафедры «Автотракторное электрооборудование», к.т.н_Малеев Р.А.

профессор кафедры «Информационные технологии в экономике», д.т.н. Катанаев Н. Т.

Работа подготовлена на кафедре «Автоматика и процессы управления»

Стр. 78, рис.38, таблиц 20, библ. 5, «Университет машиностроения», 2013

 

Методическое пособие состоит из 5 лабораторных работ по разделу аналоговая электроника, содержание которых достаточно для выполнения и защиты лабораторных работ.

 

 

Драгунов С.С.

Харитонов В.И.

 

Ó «Университет машиностроения» 2013 г.

Введение

Данное руководство Предназначено для студентов «Университета машиностроения» всех специальностей, выполняющих лабораторные работы по дисциплинам «Электроника» и по разделу «Электроника» дисциплины «Электротехника и электроника».

Руководство составлено так, что при наличии основных учебников из приведённого списка литературы и конспекта лекций, даст возможность студенту подготовиться к лабораторному занятию и провести все исследования, предусмотренные заданием.

Лабораторные работы преследуют следующие цели:

- приучить студента к экспериментальным исследованиям и выполнению их в соответствии с планом;

- научить студента методам получения основных зависимостей опытным путём и экспериментальной проверке важнейших теоретических соотношений;

- научить студента правильному обращению с измерительной аппаратурой и её применению для решения конкретной задачи;

- научить студента правильно оформлять и анализировать результаты экспериментальных исследований;

- закрепить в памяти студента теоретический материал, излагаемый на лекциях и в научной литературе, демонстрируя его применение в реальной обстановке экспериментальных исследований;

- научить студента получать характеристики электронного усилителя проводя моделирование его работы в режиме реального времени на пе5рсональном компьютере.

 

Правила подготовки студента к занятию.

Студент обязан подготовиться к занятию, пользуясь данным руководством, учебниками [1], [2] и конспектом лекций.

Подготовленным к занятию считается тот студент, который:

- подготовил к занятию теоретическую часть отчёта (1-2 страницы конспекта в собственном изложении);

- умеет объяснить принцип действия и назначение элементов и узлов исследуемого устройства, выполнил все предусмотренные в методическом пособии упражнения;

- умеет объяснить все характеристики исследуемого устройства с привлечением эквивалентных схем, временных диаграмм и формул;

- знаком по руководству с правилами пользования измерительными приборами и с помощью этого руководства может производить перечисленные в работе измерения;

- выполнил тест, предложенный преподавателем.

Преподаватель проверяет подготовку студента к занятию устно или при помощи компьютерных тестов. Недостаточно подготовленный студент к выполнению лабораторной работы не допускается, о чём преподаватель отмечает в лабораторном журнале. Во время занятия в лаборатории этот студент готовится к занятию и подвергается после этого в конце занятия повторной проверке.

Пропущенную лабораторную работу студенту необходимо выполнить во внеурочное время по согласованию с преподавателем.

Перед началом первого лабораторного занятия студент должен быть ознакомлен с инструкцией по технике безопасности, дать обязательство выполнять её, расписавшись об этом в журнале.

 

 

Правила сдачи лабораторных работ.

 

- Защита лабораторных работ осуществляется в два этапа. На первом этапе в течение двух часов защищаются лабораторные работы 1 и 2. На втором этапе в течение двух часов защищаются лабораторные работы 3,4 и 5. Итоговый зачет проводится на последнем занятии.

- К сдаче лабораторных работ допускаются студенты, правильно оформившие отчёты и получившие разрешение преподавателя.

- Оценка студента заносится преподавателем в журнал.

- При хороших и отличных оценках, полученных в срок, студент после устного собеседования с преподавателем может получить досрочно “зачёт” по лабораторным работам.

- К зачёту по лабораторным работам допускается только тот студент, который имеет по всем лабораторным работам оценки не ниже “удовлетворительно”.

Лабораторная работа №1

Мультиметр М890 С⁺

 

Цель работы: Изучить переносной цифровой измерительный прибор Мультиметр М890 С⁺ и приемы работы с ним. Приобрести навыки измерения напряжения источника питания, сопротивлений резисторов, ёмкости конденсатора и температуры с помощью термопары.

 

Продолжительность работы – 2 часа.

 

Описание лабораторной установки.

Мультиметр М890 С⁺ является портативным универсальным измерительным прибором с автономным источником питания на батарее гальванических элементов типа «крона» (с напряжением 9 вольт).

Внешний вид прибора представлен на рисунке 1.1

 

 

Рисунок 1

 

Поскольку мультиметр предназначен для измерения большого количества различных параметров, то для переключения на нужный параметр используется многопозиционный переключатель поворотного типа. При этом метка на переключателе должна указывать на выбранную позицию.

Для измерения напряжения, силы тока или величины сопротивления используют два щупа: один красный, другой черный. Черный называется «Общим» и всегда подключается к гнезду «COM». Для измерения напряжения или величины сопротивления красный щуп подключается к гнезду «V/Ώ». Для измерения силы тока от 0,2 до 20 ампер красный провод подключается к гнезду «20A_MAX». Для измерения силы тока менее 200 миллиампер красный провод подключается к гнезду «mA».

Для измерения емкости конденсатора используются гнезда «Cx», в которые конденсатор вставляется НЕПОСРЕДСТВЕННО.

Для измерения температуры объекта используется термопара, которая подключается к двум гнездам зеленого цвета с обязательным соблюдением ПОЛЯРНОСТИ + и -.

Для измерения коэффициента усиления биполярного транзистора h_э21 используют гнезда «PNP NPN», в которые транзистор вставляется НЕПОСРЕДСТВЕННО с обязательным соблюдением типа транзистора «PNP» или «NPN» и правила: эмиттер к гнезду «Е», коллектор к гнезду «С», база к гнезду «В».

Основные правила по эксплуатации мультиметра:

1) Прежде чем приступать к измерениям необходимого параметра или величины сигнала необходимо убедиться в исправности источника питания - гальванической батареи типа «крона». Для этого штырь черного провода типа «банан» вставить в гнездо «COM», а штырь красного провода типа «банан» вставить в гнездо «V/Ω».

Включить питание, нажав на кнопку «on off» (на некоторых мультиметрах она обозначается несколько иначе «I O» или «auto off power»).

Повернуть центральный переключатель в положение «прозвонка» и «проверка диодов» (так чтобы черточка переключателя смотрела на этот значок). При этом на индикаторе должна появиться «единица», а на некоторых мультиметрах еще значок .

Если гальванический элемент исправен, то при соприкосновении красного и черного щупа будет звучать звуковой сигнал, а на индикаторе должны появиться три нуля (или, в крайнем случае, 001).

Если звукового сигнала нет или он звучит не четко, а на дисплее появляется значок «батарея», то гальванический элемент необходимо заменить.

Диод считается исправным, если при подключении красного щупа к катоду, черного к аноду на индикаторе горит одна цифра”1” в старшем разряде, а при подключении красного щупа к аноду, черного к катоду на индикаторе появляются три цифры. Значения в районе 500 – 850 характерны для кремниевых диодов, а меньшие значения в районе 150 – 250 характерны для германиевых диодов и диодов Шотки.

2) Если мультиметр подготавливают для измерения напряжения, величина которого заранее неизвестна, то переключатель поворачивают в положение максимально напряжения – «1000V» для постоянного напряжения в секторе или в положение максимально напряжения «700V» для переменного напряжения в секторе V~.

3) Если мультиметр подготавливают для измерения силы тока, величина которого заранее неизвестна, то переключатель поворачивают в положение максимальный ток «20А», а штырь красного провода вставляют в гнездо «20A_MAX».

4) Если мультиметр подготавливают для измерения сопротивления резистора, величина которого заранее не известна, то вначале необходимо повернуть переключатель в положение «20М» в секторе Ω, а затем подключить красный и черный щуп к выводам резистора. Если номинальная (ожидаемая) величина сопротивления известна, то переключатель ставят в положение «ближайшее большее значение к номинальной (ожидаемой) величине в секторе «Ώ», а затем подключают красный и черный щуп к выводам резистора.

5) Если мультиметр подготавливают для измерения ёмкости конденсатора, величина которого заранее не известна, то вначале необходимо вставить исследуемый конденсатор в гнезда «Cx», а затем повернуть переключатель в положение «20μ». Если номинальная (ожидаемая) величина конденсатора известна, то переключатель ставят в положение «ближайшее большее значение в секторе «F Cx» к номинальной (ожидаемой) величине.

6) Если мультиметр подготавливают для измерения температуры, то сначала подключают термопару к двум гнездам зеленого цвета с обязательным соблюдением ПОЛЯРНОСТИ + и -, затем поворачивают переключатель в положение «˚С» и прислоняют свободный конец термопары к исследуемому объекту.

7) Если мультиметр подготавливают для измерения параметра h_э21 биполярного транзистора, то сначала устанавливают транзистор в гнезда «PNP NPN», с учетом типа транзистора «PNP» или «NPN» и правила: эмиттер подключают к гнезду «Е», коллектор к гнезду «С», базу к гнезду «В». После этого поворачивают переключатель в положение «hFE».

8) Если при измерении напряжения, силы тока, сопротивления резистора или емкости конденсатора на индикаторе появляется только одна цифра “1” в старшем разряде, то это означает, что выбран неправильный диапазон (другими словами, имеет место «перегрузка»). В этом случае необходимо повернуть переключатель на один щелчок (на одну позицию) в сторону больших величин.

9) Если при измерении напряжения, силы тока, сопротивления резистора или емкости конденсатора на индикаторе появляется цифра “0” в старшем разряде, то это означает, что также выбран неправильный диапазон, но в этом случае необходимо повернуть переключатель на один щелчок (на одну позицию) в сторону меньших величин.

Примечание: Прибор имеет гарантированную, указанную в паспорте, точность при измерениях в нормальных условиях, т.е. при температуре 23±5°С, относительной влажности не более 75%. Точность зависит от выбранного параметра и диапазона, например для диапазонов постоянного напряжения 200mV, 2V, 20V, 200V точность составляет 0,5%, а для переменного – 0,8%.

 

 

Предупреждение: Студентам КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ измерять переменное напряжение электросети!

Рабочее задание:

I Включить и проверить работоспособность мультиметра М890С⁺.

Методические указания

 

I Включить и проверить работоспособность мультиметра М890С⁺.

 

Включить мультиметр и выполнить проверку источника питания в соответствии с пунктом 1) основных правил по эксплуатации. Вывод записать в конспект.

Лабораторная работа №2

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Электрические сигналы различны по своему «рисунку».

Сигналом называется физический процесс, несущий информацию.

Информация представляет собой сообщение о событии, режиме технологического процесса, команду на включение/выключение и т.п. Информация сосредоточена в изменениях таких параметров электрического сигнала как: амплитуда - Um, (А); период - Т; длительность импульса - t_и; частота - f; фаза – φ т.е. величина смещения измеряемого сигнала относительно другого сигнала. На рисунках 1и 2 представлены формы типовых сигналов.

 

Рисунок 1

Рисунок 2

 

 

Методические указания

 

I Включить и настроить прибор АКИП 4107.

1) Убедиться, что прибор АКИП 4107 подключен к персональному компьютеру с помощью USB кабеля.

2) Включить персональный компьютер и дождаться загрузки операционной системы.

3) Запустить программу PicoScope 6. После запуска программы на экране появляется окно, представленное на рисунке 6. Убедиться в том, что включен режим осциллографа .

4) Соединить кабелем с двумя разъемами байонетного типа – BNC на обоих концах гнездо SIGNAL OUT (Рисунок 3)с гнездом CHA. Подключение разъемов байонетного типа осуществляется так: «Вставил и зафиксировал, повернув по часовой стрелке на 90 градусов». Отключение производится в обратном порядке: «Снял фиксацию, повернув против часовой стрелки на 90 градусов, и вынул».

 

Рисунок 6

 

 

5) Включить генератор с помощью пиктограммы . Для этого необходимо мышкой навести курсор на пиктограмму и щелкнуть по ней левой клавишей мышки. В появившемся окне, представленном на рисунке 7, установить галочку в позиции «Сигнал вкл», которая обведена на рисунке 7 карандашом. По умолчанию включается сигнал прямоугольных импульсов с частотой 1 кГц и амплитудой 1 вольт и включается режим автонастройки параметров осциллографа.

Рисунок 7

II Измерить период сигнала (Т), генерируемого АКИП 4107

1) Установить форму сигнала в соответствии с таблицей заданий по номеру варианта.

№ Варианта	Форма сигнала	Частота (Гц)	Амплитуда (В)	№	Форма сигнала	Частота (Гц)	Амплитуда (В)
	синусоидальный		0,95		наклон вниз		0,85
	прямоугольный		0,95		наклон вверх		0,85
	треугольный		0,95		синусоидальный		0,8
	наклон вниз		0,95		прямоугольный		0,8
	наклон вверх		0,95		треугольный		0,8
	синусоидальный		0,9		наклон вниз		0,8
	прямоугольный		0,9		наклон вверх		0,75
	треугольный		0,9		синусоидальный		0,75
	наклон вниз		0,9		прямоугольный		0,75
	наклон вверх		0,9		треугольный		0,75
	синусоидальный		0,85		наклон вниз		0,75
	прямоугольный		0,85		наклон вверх		0,75
	треугольный		0,85		синусоидальный		0,7

2) Выполнить ручную настройку масштаба изображения по вертикальной оси. Для этого щелкнуть мышкой по галочке на пиктограмме в верхнем левом углу (рисунок 5). В появившемся окне масштабов необходимо выбрать масштаб, который будет ближайшим большим значением к заданной амплитуде сигнала. Так, например, если задана амплитуда 0,45В, то надо выбрать масштаб ±500мВ. Масштаб по вертикальной оси ±500мВ обеспечивает правильное отображение сигнала, амплитуда которого не превысит 0,5 вольта. Если по какой-то причине величина исследуемого сигнала превысит 0,5В, то на экране появится восклицательный знак, предупреждающий о превышении заданного порога чувствительности.

3) Выполнить ручную настройку масштаба изображения по горизонтальной оси. Для этого необходимо вычислить масштаб одной клетки по горизонтали ∆t, исходя из следующего неравенства:

(1)

При пользовании этой формулой необходимо помнить, что частота f задается в герцах, а масштаб одной клетки ∆t по горизонтали получается в секундах.

Для выполнения ручной настройки необходимо щелкнуть мышкой по галочке на пиктограмме (рисунок 5). В появившемся окне масштабов необходимо выбрать масштаб, который будет ближайшим меньшим значением к рассчитанному масштабу изображения по горизонтальной оси.

Так, например, если задана частота 900Гц, то по формуле (1) получим ∆t ≤ 0,000476 секунды. Поэтому выбираем масштаб по горизонтали - 200µs/div, т.е. 200 микросекунд на клетку.

4) Установить переключатель режимов канала А в положение - DC. В этом режиме можно проводить измерение, как переменных сигналов, так и постоянных, поэтому этот режим является универсальным (в режиме AC можно проводить измерение только переменных сигналов).

5) Поскольку канал B не используется, то он должен быть установлен в положение «Выкл».

0)

1)

2)

3)

4)

5)

6) Для измерения периода сигнала необходимо обеспечить синхронизацию, т.е. сделать так, чтобы изображение было стабильным, т.е. неподвижным (см. описание к рисунку 5).

7) Для того чтобы измерить период сигнала наиболее точно необходимо развертку выполнять из крайней левой точки экрана. По умолчанию развертка сигнала начинается с середины экрана, поэтому в окошечке смещения установлено значение 50% - (рисунок 5). Установите в окошке смещения значение 0% и ответьте на вопрос: «Куда смещается ромбик желтого цвета, определяющий начало развертки, при нулевом значении?». Ответ запишите в конспект.

8) Если окажется так, что на экране будет более двух периодов, то необходимо растянуть изображение, увеличив масштаб по горизонтали в два раза. Для этого необходимо щелкнуть мышкой по кнопке «+» на пиктограмме в верхней части экрана (рисунок 5). После этого необходимо с помощью ползунка в нижней части экрана передвинуть изображение так, чтобы ромбик желтого цвета оказался в крайнем левом положении.

9) Попробуйте два варианта развертки, нажав сначала на пиктограмму , а затем на пиктограмму . Определите период сигнала в том случае, где он отражается более точно.

Определите частоту сигнала по формуле:

(2)

Результаты измерения запишите в таблицу и сравните полученный результат с заданием. Определите величину отклонения от заданного значения.

 

Частота по таблице заданий	Период сигнала по осциллограмме на экране	Расчетная частота по формуле (2)	Величина отклонения расчетных значений от заданных

 

III Измерить среднеквадратическое значения сигнала

 

В математике эту величину называют среднеквадратическим значением со смещением. В электротехнике такое значение напряжения называют действующим или эффективным значением переменного напряжения, однако, ГОСТ 16465-70 «Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения» обязывает использовать термин – «Среднеквадратичное значение сигнала» - СКЗ.

 

0)

1) Для определения величины среднеквадратического значения переменной составляющей сигнала необходимо добавить режим определения среднеквадратических значений. Для этого щелкнуть один раз по кнопке «+» на пиктограмме в нижней части экрана (рисунок 5). В появившемся окне (рисунок 8) необходимо щелкнуть мышкой по галочке в окне «Выберите тип измерения».

Рисунок 8

 

2) В появившемся окне типов измерения (рисунок 9) выбрать сначала тип измерения «Перем. СКЗ» - термин ввели разработчики прибора АКИП 4107 поскольку отражает среднеквадратическое значение переменной составляющей сигнала. В приборах с аналоговой регистрацией сигнала подобные значения получаются при подаче сигнала на «ЗАКРЫТЫЙ ВХОД». «Перем. СКЗ» расположен в самой верхней строчке списка, как показано на рисунке 9. Затем щелкнуть по кнопке ОК.

Рисунок 9

3) Затем повторно щелкнуть по кнопке «+» на пиктограмме (рисунок 5). В появившемся окне (рисунок 8) необходимо еще раз щелкнуть мышкой по галочке в окне «Выберите тип измерения». В появившемся окне типов измерения (рисунок 9) передвинуть мышкой движок в крайнее нижнее положение и выбрать тип изменения «СКЗ», который расположен в самой нижней строчке списка, как показано на рисунке 10. Затем щелкнуть по кнопке ОК.

Рисунок 10

Традиционно это значение напряжения называют действующим или эффективным значением переменного напряжения.

 

4) Результат одного из вариантов правильно настроенного прибора представлен на рисунке 11.

 

 

Рисунок 11

5) Измерения среднеквадратических значений сигнала производятся по 20 выборкам - это некоторая часть объектов общей совокупности, которая выступает в качестве объектов непосредственного изучения. Это число отмечено в столбце «Число захватов». Поскольку на сигнал от генератора накладываются шумы, то значение «Перем. СКЗ» и «СКЗ» в столбце «Значение» не постоянно и изменяется в младшем разряде, поэтому для оценки среднеквадратического значения сигнала по 20 выборкам мы будем использовать те значения, которые представлены в столбце «Среднее».

6) Величина «Перем. СКЗ» является среднеквадратическим отклонением сигнала от постоянной составляющей сигнала и рассчитывается по формуле (3).

,

(3)

 

где x_i - значение сигнала в данный момент времени (выборка),

n – количество измерений сигнала в каждой выборке (n = 4096);

 

Среднее значение сигнала определяется по формуле (4)

,

(4)

 

7) СКЗ рассчитывается по формуле (5)

 

,

(5)

 

Вычисления по формулам (1),(2),(3), выполняются компьютером в автоматическом режиме после добавления необходимых параметров сигнала, заданных в пунктах 1),2),3). Результат вычисления отображается в нижней части экрана как показано на рисунке 10, поэтому их остается только записать в конспект.

 

 

8) Запишите результаты измерения в таблицу и сопоставив эти две величины сделайте вывод:

Перем. СКЗ (σ)	СКЗ (U)	Вывод
σ=_____[В]	U=_____[В]

 

IV Измерить параметры электрического сигнала с постоянной составляющей

 

1) Установите постоянную составляющую сигнала на генераторе, щелкнув мышкой на пиктограмме (см. рисунок 5) и в выпадающем меню задайте смещение в соответствии с формулой (6).

,

(6)

 

Полученная величина должна быть выражена в Вольтах. Например, для первого варианта смещение должно быть равно 0,05 В (50 мВ), а для двадцать шестого варианта 1,3 В.

2) Для измерения величины постоянной составляющей необходимо добавить измеряемый параметр «Пост. среднее». Для это щелкаем мышкой по кнопке «+» пиктограммы и в выпадающем меню выбираем пункт «Пост. среднее».

3) Выполнить измерения трех параметров и записать в таблицу. Сравните эти две величины σ и U. Объясните как соотносятся эти два показателя для переменного напряжения со смещением, т.е. с постоянной составляющей и сделайте вывод:

Перем. СКЗ (σ)	СКЗ (U)	Среднее значение сигнала ()	Вывод
σ=_____[В]	U=____[В]	=_____[В]

 

Значения для всех трех измерений брать из столбца «Среднее» т.е. среднее значение по 20 выборкам.

Контрольные вопросы:

1) Какого типа сигнал поступает на вход CHA в вашем варианте?

2) Каков диапазон частот, которые можно подавать на входы CHA и CHB?

3) Какого назначение вывода SIGNAL OUT и каков диапазон возможных частот на этом выводе?

4) Какая форма сигнала может быть на выводе SIGNAL OUT?

5) Напишите формулу для определения Среднеквадратического значение переменной составляющей сигнала.

6) Напишите формулу для определения Постоянной составляющей сигнала.

7) Напишите формулу для определения Среднеквадратичного значение сигнала.

 

 

Лабораторная работа №3

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

В качестве источников вторичного питания электронных устройств используют следующие схемы:

I при питании от сети переменного напряжения

а) классическую трансформаторную схему;

б) модули питания АС/ДС, использующие принцип высокочастотного выпрямления.

II при питании от сети постоянного напряжения

а) модули питания ДС/ДС, использующие принцип высокочастотного преобразования и последующего выпрямления;

б) интегральные линейные стабилизаторы;

в) микросхемы – преобразователи напряжения.

 

Классическая схема (см. рисунок 1) включает понижающий трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилитрон СН.

 

 

Рисунок 1

 

Трансформатор Т преобразует напряжение сети U1 в напряжение U2, необходимое для получения заданного выпрямленного напряжения Ud, а также осуществляет гальваническую развязку цепи постоянного тока и питающей сети.

Выпрямитель В преобразует переменный ток в пульсирующий ток одного направления.

Сглаживающий фильтр Ф служит для уменьшения пульсаций выпрямленного тока.

Стабилизатор СН поддерживает неизменённым выпрямленное напряжение Ud.

К выходу источника питания подключают нагрузку Н

Выпрямитель

В лабораторной работе выпрямитель (В) питает чисто активную (резистивную) нагрузку. В общем случае работа выпрямителя существенным образом зависит от характера нагрузки.

При расчёте источника питания используют следующие параметры:

Ud – среднее значение выпрямленного напряжения,

Id – среднее значение выпрямленного тока,

U1 – действующие значение напряжения питающей сети,

U2 – действующие значения напряжения вторичной обмотки трансформатора.

 

Рассмотрим соотношения между параметрами выпрямленного тока и переменного тока.

Рисунок 2 - Схема однополупериодного выпрямителя с трансформатором

 

 

Рисунок 3 - Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя с трансформатором

 

 

Постоянная составляющая тока:

 

 

 

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

 

 

,

где n – коэффициент трансформации.

 

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:

 

 

 

В отрицательный полупериод к замкнутому диоду VD приложено обратное напряжение:

Для работы диода в безопасной области необходимо, чтобы:

 

с запасом 30 %

с запасом 30 %

 

 

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

1) Форма тока в нагрузке имеет большие пульсации.

2) Форма потребляемого из сети тока отличается от синусоиды, что искажает форму напряжения сети.

3) Имеют ограниченное применение при небольших мощностях (до нескольких десятков Вт)

 

При больших мощностях применяют двухполупериодные выпрямители, в которых ток в нагрузку поступает в течение обоих полупериодов входного синусоидального напряжения (Рисунок 4).

 

 

 

Рисунок 4 - Двухполупериодные выпрямители:

а) со средней точкой

б) однофазный мостовой

 

Проанализируем работу наиболее применяемого однофазного мостового выпрямителя. К диагонали АВ моста подводится синусоидальное напряжение U2. Диагональ СD подключена к нагрузке R. В каждый момент времени ток проводит пара диодов VD1,VD4 – в течении положительный, и VD2,VD3 – в течение отрицательных полупериодов питающего напряжения.. Временные диаграммы в двухполупериодном выпрямителе представлены на рисунке 5.

 

Рисунок 5 - Временные диаграммы в двухполупериодном выпрямителе

 

 

Среднее значение выпрямленного напряжения:

 

Среднее значение тока плеча (диода):

 

 

Обратное напряжение, прикладываемое к каждому из диодов в непроводящем направлении, равно максимальному значению входного напряжения:

 

Сглаживающие фильтры

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента, однако на выходе выпрямителей пульсации значительно больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, которые должны максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Простейшим фильтром служит конденсатор С₀, включённый на выходе выпрямителя параллельно нагрузке R_Н, как показано на рисунке 6А, который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдаёт её, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рисунке 6Б показана форма напряжения U_C на конденсаторе C₀ (а значит, и на параллельно включённой нагрузке R_Н) при двухполупериодном выпрямителе.

Рисунок 6

 

Для более эффективного снижения пульсаций применяют П-образный LC-фильтр, показанный на рисунке 7. П-образный фильтр состоит из двух конденсаторов С₀, С_ф и катушки индуктивности L_ф, называемой дросселем.

Рисунок 7.

 

Индуктивное сопротивление дросселя L_ф:

 

,

 

где ω – круговая частота переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Индуктивное сопротивление дросселя L_ф должно быть значительно больше R_H для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной ω и выше, «задерживались» фильтром в виде падения напряжения на X_L , не достигая нагрузки.

Емкостное сопротивление конденсаторов X_C = 1/ (ω С_Ф) должно быть значительно меньше, чем R_H, для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через Х_С , минуя R_H. При этом постоянная составляющая тока, для которой X_L = 0, Х_С = ∞, не создает падения напряжения на L_ф и не замыкается через С_Ф, целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LC-фильтра является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении.

Основным параметром любого сглаживающего фильтра является коэффициент пульсаций, который показывает во сколько раз пульсации до фильтра больше чем после фильтра.

 

Методические указания

Для измерения напряжений использовать универсальный цифровой прибор АКИП 4107, описание которого и методика настройки подробно даны в лабораторной работе № 2. Напомним, что диапазон входного канала А необходимо установить ±20В, коэффициент развертки – 5ms/div, режим измерения - DC. В панели измерения параметров необходимо установить следующие параметры:

¾ для среднеквадратического значения переменной составляющей - «Перем. СКЗ»;

¾ для положительной амплитуды синусоидального сигнала и для максимального значения выпрямленного сигнала – «Максимум»;

¾ для минимального значения выпрямленного и отфильтрованного сигнала – «Минимум» (только для опыта №3, таблицы 4 и 5)

¾ для среднеквадратичного действующего напряжения – «СКЗ». <