Исследование свойств полупроводникового диода в составе однополупериодного выпрямителя и светодиода. Каково обратное напряжение диода в схеме со сглаживающим конденсатором

Исследование свойств полупроводникового диода в составе однополупериодного выпрямителя и светодиода

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение выпрямительного действия полупроводникового диода в составе однополупериодного выпрямителя и светодиода.

2. ПРОГРАММА РАБОТЫ

2.1. Ознакомиться с теорией и методами выпрямления однофазного переменного тока в постоянный, изучение работы сглаживающего фильтра в составе однополупериодного выпрямителя, изучение свойств светодиода.

2.2. Ознакомиться со схемой лабораторной установки, оборудованием и приборами, необходимыми для выполнения работы, записать технические данные (тип, род тока, предел измерения, класс точности, цену деления шкалы) приборов.

2.3.Собрать схему и показать для проверки инженеру.

2.4. Выполнить измерения и произвести обработку экспериментальных результатов.

2.5. Составить краткие выводы по работе.

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Вентильные свойства полупроводникового элемента – диода обуславливаются эффектом p-nперехода.

Электронно-дырочным переходом (p-n переходом) называют переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность р-типа, а другая – n-типа.

Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n и р -проводящие слои (рис. 2.1.1).

В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в р-проводящем слое - дырки. Существующий между этими слоями р-n переход имеет внутренний потенциальный барьер, препятствующий соединению свободных носителей заряда. Таким образом, диод блокирован.

ВАХ р-n перехода называется зависимость тока, протекающего через р-n переход, от величины приложенного к нему внешнего напряжения. При отсутствии в полупроводнике внешнего электрического поля р-n переход находится в состоянии так называемого термодинамического равновесия, при котором потоки носителей заряда взаимно уравновешиваются, так что результирующий ток через переход равен нулю. При подаче на переход внешнего напряжения равновесие между составляющими токов носителей нарушается, что приводит к протеканию через переход результирующего тока, величина которого определяется величиной и знаком приложенного напряжения.

При прямом приложении напряжений («+» к слою р, «—» к слою n) потенциальный барьер уменьшается, и диод начинает проводить ток (диод открыт). При обратном напряжении потенциальный барьер увеличивается (диод заперт). В обратном направлении протекает только небольшой ток утечки, обусловленный неосновными носителями.

В цепи с полупроводниковым диодом (рис. 2.2.1) установившийся ток может протекать только при определенной полярности приложенного к диоду напряжения. При изменении полярности напряжения диод запирается и ток прекращается. В цепи переменного (синусоидального) напряжения ток протекает только в течение той полуволны, когда диод открыт. Полуволна другой полярности подавляется. В результате в цепи имеет место ток одного направления. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор, подключенный параллельно нагрузке.

При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:

o uвх,Uвх — мгновенное и действующее значения синусоидального входного напряжения;

o ud, Ud, Udmax, Udmin — мгновенное, среднее, максимальное, минимальное значения выходного (выпрямленного) напряжения;

o fп— частота пульсаций выходного напряжения;

o m =fпульс / fвх— число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;

- коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Диоды с особыми свойствами.Светодиоды.

В случаях, когда полупроводниковые диоды выполнены из таких материалов как арсенид галлия или фосфид галлия, часть подводимой к ним электрической энергии преобразуется не в тепло, как в других полупроводниках, а в световые потоки с более короткой длиной волны. Цвет излучения определяется выбором соответствующего материала и присадками. Цвет может быть инфракрасным, красным, желтым, оранжевым, зеленым или даже голубым.

В данной работе используется одна фаза трехфазного источника напряжений.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Исследовать выпрямительное действие полупроводникового диода с составе однополупериодного выпрямителя.

Порядок выполнения эксперимента

• Соберите цепь согласно схеме (рис. 2.2.2) сначала без сглаживающего фильтра. Включите мультиметры: VI - для измерения действующего значения синусоидального напряжения, V2 - для измерения постоянного напряжения

• Включите и настройте осциллограф. Установите развертку 5 мс/дел.

• Перенесите на график (рис. 2.2.3) осциллограммы входного и выходного напряжений.

• Сделайте измерения и запишите в табл. 2.2.1. значения: Uвх — действующее, Ud — среднее, ΔUпульс (по осциллографу), m= fпульс / fвх.

• Рассчитайте и запишите в табл. 2.2.1 коэффициенты Ud/Uвх и kпульс.

• Параллельно нагрузочному резистору Rн подключите сглаживающие конденсаторы С с емкостями, указанными в табл. 2.2.1 (не ошибитесь с полярностью при подключении электролитических конденсаторов!),повторите измерения и дорисуйте графики выпрямленного напряжения на рис.2.2.3.

Задание 2. Изучение свойств светодиода.

Снять вольтамперную характеристику светодиода посредством осциллографа. Изучить влияние напряжения UСД, тока IСД светодиода и его полярности на световую эмиссию.

Порядок выполнения эксперимента

• Соберите цепь согласно схеме (рис.4.1.2). Включите осциллограф в режиме X - Y, на горизонтальный вход (X) подайте напряжение со светодиода, а на вертикальный (Y) - напряжение с сопротивления, пропорциональное току. Включите инвертирование канала Y, чтобы положительному току соответствовало отклонения луча осциллографа вверх.

• Перерисуйте осциллограмму на график (рис. 4.1.2).

• Соберите цепь согласно схеме (рис. 4.1.3) и изменяйте входное напряжение последовательными шагами, как указано в табл. 4.1.1. Измерьте прямое напряжение Uсди ток Iсд светодиода с помощью мультиметра и установите светоизлучение (отсутствует, слабое, среднее, сильное). Занесите данные в таблицу.

• Измените полярность диода и убедитесь, что светоизлучения не наблюдается.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Наименование, цель и программа работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Принципиальная схема лабораторной установки.

4. Описание хода работы .

5. Таблицы с экспериментальными данными, результаты обработки полученных данных.

6. Выводы по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что обуславливает вентильные свойства полупроводникового диода?

2. Как называется напряжение, при котором диод становится проводящим?

3. Что называется ВАХ диода? Как она выглядит?

4. Почему максимальное значение выпрямленного напряжения Udmax не совпадает с амплитудой входного напряжения?

5. Что произойдет при изменении полярности диода в цепи (рис. 2.2.2)?

6. Каково обратное напряжение диода в схеме со сглаживающим конденсатором?

7. Какое действие оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсаций напряжения?

8. Какой минимальный ток необходим светодиоду для слабого светоизлучения?

9. Как ведет себя светоизлучение при изменении полярности прикладываемого напряжения?

10. Напряжение питания светодиода 5 В. Какой добавочный резистор необходим при токе 15 мА?

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 2

megalektsii.ru

Лаб.раб. №4 Полупроводниковый выпрямитель

Методические указания к лабораторной работе №4

Тема: «Полупроводниковый выпрямитель».

Цель:

1. Исследовать выпрямительное действие полупроводникового диода в составе однополупериодного выпрямителя.

2. Исследовать свойства мостового выпрямителя с помощью осциллографа и мультиметра, либо с помощью виртуальных приборов.

Полупроводниковый однополупериодный выпрямитель

Общие сведения

В цепи с полупроводниковым диодом (рисунок 4.1) установившийся ток может протекать только при определенной полярности приложенного к диоду напряжения. При изменении полярности напряжения диод запирается и ток прекращается. В цепи переменного (синусоидального) напряжения ток протекает только в течение той полуволны, когда диод открыт. Полуволна другой полярности подавляется. В результате в цепи имеет место ток одного направления. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор, подключенный параллельно нагрузке.

Рисунок 4.1

При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:

uВХ, UВХ — мгновенное и действующее значения синусоидального входного напряжения;
ud, Ud, Udmax, Udmin — мгновенное, среднее, максимальное, минимальное значения выходного (выпрямленного) напряжения;
fп — частота пульсаций выходного напряжения;
m = fпульс / fвх — число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;
— коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.
S = kпульс/kпульc(C) - отношение коэффициентов пульсаций выпрямленного напряжения (без учета конденсатора и с учетом сглаживающего конденсатораС).

В данной работе используется одна фаза трехфазного источника напряжений.

Экспериментальная часть

Исследовать выпрямительное действие полупроводникового диода в составе однополупериодного выпрямителя, используя виртуальные приборы.

Порядок выполнения эксперимента

Соберите цепь согласно схеме (рисунок 4.2) без сглаживающего фильтра. На схеме V0 иV1входы коннектора. При сборке схемы обратите внимание на полярность электролитического конденсатора.
Включите виртуальные приборы V0 иV1 и осциллограф. Подключите два любых входа осциллографа к каналамV0 иV1. Установите развертку 5 мС/дел.
Перенесите на график (рисунок 4.3) осциллограммы входного и выходного напряжений. Укажите масштабы по осям.
Сделайте измерения и запишите в таблицу 3.1. значения: UВХ— действующее,Ud — среднее,,m = fпульс / fвх.
Рассчитайте и запишите в таблицу 4.1 коэффициенты Ud / UВХ и kпульс.
Рассчитайте и запишите в таблицу 4.1 коэффициент сглаживания

Рисунок 4.2

Параллельно нагрузочному резистору RНподключите сглаживающие конденсаторы C c емкостями, указанными в таблице 4.1, повторите измерения и дорисуйте графики выпрямленного напряжения на рисунке 4.3.
Постройте внешнюю характеристику Ud=f(Id).

Таблица 4.1

RН	10 кОм			4,7 кОм
C, мкФ	0	10	100	0	10	100
UВХ, В
Ud, B
, В
m
Ud / UВХ
kпульс
Id, мА
S

Масштабы: mt= ... мкс/дел;mUвх= ... В/дел;mUвых= ... В/дел

Рисунок 4.3

Полупроводниковый мостовой выпрямитель

Общие сведения

Однополупериодный выпрямитель использует только одну полуволну переменного напряжения. Как следствие, постоянное напряжение низкое по величине и имеет значительные пульсации.

Этого недостатка удается избежать в случае мостового выпрямителя со схемой (рисунок 4.4). Здесь полуволны противоположной полярности суммируются, и среднее значение выпрямленного напряжения увеличивается в два раза.

Рисунок 4.4

Экспериментальная часть

Исследовать свойства мостового выпрямителя с помощью осциллографа и мультиметра, либо с помощью виртуальных приборов.

Порядок выполнения эксперимента

Соберите цепь согласно схеме (рисунок 4.5) без сглаживающего фильтра. На схеме V0 иV1входы коннектора. При сборке схемы обратите внимание на полярность электролитического конденсатора.
Включите виртуальные приборы V0 иV1 и осциллограф. Подключите два любых входа осциллографа к каналамV0 иV1. Установите развертку 5 мС/дел.
Перенесите на график (рисунок 4.6) осциллограммы входного и выходного напряжений. Укажите масштабы по осям.
Сделайте измерения и запишите в таблицу 4.2. значения: UВХ— действующее,Ud — среднее,,m = fпульс / fвх.
Рассчитайте и запишите в таблицу 4.2 коэффициенты Ud / UВХ и kпульс.
Рассчитайте и запишите в таблицу 4.2 коэффициент сглаживания

Рисунок 4.5

Масштабы: mt= ... мкс/дел;mUвх= ... В/дел;mUвых= ... В/дел

Рисунок 4.6

Параллельно нагрузочному резистору RНподключите сглаживающие конденсаторы C с емкостями, указанными в таблице 4.2, повторите измерения и дорисуйте графики выпрямленного напряжения на рисунке 4.6
Постройте внешнюю характеристику Ud=f(Id).

Таблица 4.2

RН	10 кОм			4,7 кОм
C, мкФ	0	10	100	0	10	100
UВХ, В
Ud, B
, В
m
Ud / UВХ
kпульс
Id, мА
S

Вопросы:

Почему максимальное значение выпрямленного напряжения Udmax не совпадает с амплитудой входного напряжения?
Что произойдет при изменении полярности диода в цепи?
Каково обратное напряжение диода в схеме со сглаживающим конденсатором?
Какое действие оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсаций напряжения?

studfiles.net

Почему максимальное значение выпрямленного напряжения Udmax не совпадает с амплитудой входного напряжения?

Ответ: .........................

Вопрос 2: Что произойдет при изменении полярности диода в цепи (рис. 2.2.2)? Ответ: .........................

Вопрос 3: Каково обратное напряжение диода в схеме со сглаживающим конденсатором? Ответ: .........................

Вопрос 4: Какое действие оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсаций напряжения?

Ответ: .........................

•

• •

2.3. Полупроводниковый мостовой выпрямитель

2.3.1. Общие сведения

Однополупериодный выпрямитель использует только одну полуволну переменного напряжения. Как следствие, постоянное напряжение низкое по величине и имеет значительные

пульсации.

Этого недостатка удается избежать в случае мостового выпрямителя со схемой (рис. 2.3.1). Здесь полуволны противоположной полярности суммируются, и среднее значение

выпрямленного напряжения увеличивается в два раза.

Рис. 2.3.1.

2.3.2. Экспериментальная часть

Задание

Исследовать свойства мостового выпрямителя с помощью осциллографа и мультиметра.

Порядок выполнения эксперимента

Соберите цепь согласно схеме (рис. 2.3.2) сначала без сглаживающего фильтра. Включите мультиметры: V1 - для измерения действующего значения синусоидаль-

ного напряжения, V2 - для измерения постоянного напряжения.

Рис. 2.3.2

Включите и настройте осциллограф. Установите развертку 5 мс/дел.

Перенесите на график (рис. 2.3.3) осциллограмму выходного напряжения.

100

пульс

BX — действующее, U

(по осциллографу), m =f

Таблица 2.3.1

•

d —

пульс

/ fBX.

• •

d /

BX и k

пульс

Ud/U

ВХ

U

пульс

, В

Ud, B

ВХ

, В

пульс

Сделайте измерения и запишите в табл. 2.3.1. значения: U

среднее, U

Рассчитайте и запишите в табл. 2.3.1 коэффициенты U

Параллельно нагрузочному резистору R подключите сглаживающие конденсаторы С с емкостями, указанными в табл. 2.3.1 (не ошибитесь с полярностью при под-

ключении электролитических конденсаторов!), повторите измерения и дорисуйте графики выпрямленного напряжения на рис.2.3.3.

Масштабы

По каналу I:

mU= ........................ В/дел.

Рис. 2.3.3

С, мкФ

Вопрос 1: Почему максимальное значение выпрямленного напряжения Udmax не совпадает с амплитудой входного напряжения?

Ответ: ..........................

Вопрос 2: Что произойдет при изменении полярности диода в цепи (рис. 1.3.2)? Ответ: .........................

Вопрос 3: Каково обратное напряжение диода в схеме с ёмкостным фильтром? Ответ: .........................

studfiles.net

Исследование свойств полупроводникового диода в составе однополупериодного выпрямителя и светодиода

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

2. ПРОГРАММА РАБОТЫ

2.3.Собрать схему и показать для проверки инженеру.

2.4. Выполнить измерения и произвести обработку экспериментальных результатов.

2.5. Составить краткие выводы по работе.

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Вентильные свойства полупроводникового элемента – диода обуславливаются эффектом p-nперехода.

Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n и р -проводящие слои (рис. 2.1.1).

При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:

o uвх,Uвх — мгновенное и действующее значения синусоидального входного напряжения;

o fп— частота пульсаций выходного напряжения;

o m =fпульс / fвх— число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;

- коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Диоды с особыми свойствами.Светодиоды.

В данной работе используется одна фаза трехфазного источника напряжений.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Порядок выполнения эксперимента

• Включите и настройте осциллограф. Установите развертку 5 мс/дел.

• Перенесите на график (рис. 2.2.3) осциллограммы входного и выходного напряжений.

• Рассчитайте и запишите в табл. 2.2.1 коэффициенты Ud/Uвх и kпульс.

Задание 2. Изучение свойств светодиода.

Порядок выполнения эксперимента

• Перерисуйте осциллограмму на график (рис. 4.1.2).

• Измените полярность диода и убедитесь, что светоизлучения не наблюдается.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Наименование, цель и программа работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Принципиальная схема лабораторной установки.

4. Описание хода работы .

5. Таблицы с экспериментальными данными, результаты обработки полученных данных.

6. Выводы по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что обуславливает вентильные свойства полупроводникового диода?

2. Как называется напряжение, при котором диод становится проводящим?

3. Что называется ВАХ диода? Как она выглядит?

4. Почему максимальное значение выпрямленного напряжения Udmax не совпадает с амплитудой входного напряжения?

5. Что произойдет при изменении полярности диода в цепи (рис. 2.2.2)?

6. Каково обратное напряжение диода в схеме со сглаживающим конденсатором?

7. Какое действие оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсаций напряжения?

8. Какой минимальный ток необходим светодиоду для слабого светоизлучения?

9. Как ведет себя светоизлучение при изменении полярности прикладываемого напряжения?

10. Напряжение питания светодиода 5 В. Какой добавочный резистор необходим при токе 15 мА?

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 2

Исследование свойств полупроводникового диода в составе однополупериодного выпрямителя и светодиода

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

2. ПРОГРАММА РАБОТЫ

2.3.Собрать схему и показать для проверки инженеру.

2.4. Выполнить измерения и произвести обработку экспериментальных результатов.

2.5. Составить краткие выводы по работе.

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Вентильные свойства полупроводникового элемента – диода обуславливаются эффектом p-nперехода.

Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n и р -проводящие слои (рис. 2.1.1).

При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:

o uвх,Uвх — мгновенное и действующее значения синусоидального входного напряжения;

o fп— частота пульсаций выходного напряжения;

o m =fпульс / fвх— число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;

- коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Диоды с особыми свойствами.Светодиоды.

В данной работе используется одна фаза трехфазного источника напряжений.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Порядок выполнения эксперимента

• Включите и настройте осциллограф. Установите развертку 5 мс/дел.

• Перенесите на график (рис. 2.2.3) осциллограммы входного и выходного напряжений.

• Рассчитайте и запишите в табл. 2.2.1 коэффициенты Ud/Uвх и kпульс.

Задание 2. Изучение свойств светодиода.

Порядок выполнения эксперимента

• Перерисуйте осциллограмму на график (рис. 4.1.2).

• Измените полярность диода и убедитесь, что светоизлучения не наблюдается.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Наименование, цель и программа работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Принципиальная схема лабораторной установки.

4. Описание хода работы .

5. Таблицы с экспериментальными данными, результаты обработки полученных данных.

6. Выводы по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что обуславливает вентильные свойства полупроводникового диода?

2. Как называется напряжение, при котором диод становится проводящим?

3. Что называется ВАХ диода? Как она выглядит?

4. Почему максимальное значение выпрямленного напряжения Udmax не совпадает с амплитудой входного напряжения?

5. Что произойдет при изменении полярности диода в цепи (рис. 2.2.2)?

6. Каково обратное напряжение диода в схеме со сглаживающим конденсатором?

7. Какое действие оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсаций напряжения?

8. Какой минимальный ток необходим светодиоду для слабого светоизлучения?

9. Как ведет себя светоизлучение при изменении полярности прикладываемого напряжения?

10. Напряжение питания светодиода 5 В. Какой добавочный резистор необходим при токе 15 мА?

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 2

Обратное напряжение на диоде составляет

Рассчитать выпрямитель, выполненный по схеме на рис 29, полагая диоды идеальными, а сопротивления обмоток нулевыми.

Решение

Поскольку Rн = ∞, то постоянная времени разряда конденсатора фильтраτр =Сф Rн = ∞. Это означает, что конденсатор, однаж-

ды зарядившись, не разряжается. Заряд конденсатора происходит до амплитудного значения выпрямляемого напряжения, то есть:

Uc max =Uc cp = 2 20B = 28,2B.

Так как конденсатор не разряжается, то пульсации напряжения на нем не наблюдаются, то есть

Кп = 0.

Uоб=U2m+Ucф= 2 2U2m=56,4 B.

Диод не обтекается током в установившемся режиме работы выпрямителя.

Рассмотренный пример иллюстрирует существенную особенность емкостного фильтра – возможность получения на нагрузке напряжений, превосходящих действующее значение выпрямляемого напряжения.

Что касается токов в выпрямителе, то они равны нулю, в рассматриваемой схеме, лишь в установившемся режиме работы. Но они далеко не равны нулю в моменты включения схемы.

Пример 9 Определить ток в схеме выпрямителя, выполненной в соответствии с

рис. 28, в момент включения, если напряжение на первичной обмотке U1

= 200 В; сопротивление первичной обмотки R1 = 10 Ом, сопротивление вторичной обмотки R2 = 1 Ом, диод полагается идеальным.

Решение Если к моменту включения схемы конденсатор фильтра был полно-

стью разряжен, то до его заряда вторичная обмотка трансформатора оказывается закороченной конденсатором фильтра.

Эквивалентная схема вторичной обмотки выпрямителя для этого случая представлена на рис. 30.

Коэффициент трансформации трансформатора

n ≈UU2 =20020BB =0,1.

Отсюда приведенное сопротивление вторичного контура R2пр = R1n2 + R2 = 10(0,1)2+1 = 1,1 Ом. Пиковое значение зарядного тока в момент включения может быть равным

Iн=	2 20В	≈	28,2 В	=28,2А..
	1,1Ом		1Ом

Как следует из рассмотренного примера, в момент включения выпрямителя с конденсаторными фильтрами в них могут наблюдаться большие пиковые токи. Однако они не катастрофичны, поскольку кратковременны и существуют только в моменты включения. Тем не менее, при неудачном выборе типа предохранителя эти токи могут вызвать перегорание плавкого элемента или отключение автоматического, что хоть и не катастрофично, но неприятно. Задача решается либо использованием более медленных выпрямителей, либо “придерживанием” кнопки включения предохранителя на этапе включения блока питания.

Иногда длительность пусковых токов можно определить. 50

Пример 10

Определить длительность пускового режима в схеме рис. 29, если R1

=10 Ом, R2 = 1 Ом.

Решение

Постоянная времени заряда конденсатора фильтра τз = (R1n2 + + R2)Cф = (10*0,1+1)Ом*100мкФ = 1,1Ом*100мкФ = 0,1 мс. Поскольку кон-

денсатор фильтра полностью заряжается за время, равное 3τз, то полное время его заряда составляет

τs = 3τз = 3*0,1мс = 0,3мс.

Тем самым процесс заряда конденсатора фильтра длится менее половины периода T/2 = 10мс выпрямляемого напряжения. То есть конденсатор полностью заряжается в течение первого периода выпрямляемого напряжения.

Соотношения, полученные выше, позволяют осуществить не только анализ, но и синтез выпрямителей с емкостными фильтрами.

Пример 11 Спроектировать выпрямитель с емкостным фильтром, выполненный

по схеме на рис. 31, если требуемое среднее напряжение на нагрузке Uн ср = 20 В; сопротивление нагрузки Rн = 1к, коэффициент пульсаций Kн = 5%; частота выпрямляемого напряжения f = 500 Гц.

Решение Допустимая амплитуда напряжения пульсаций

Unm =Uнср Kп 3=20В 23=1,73В.

Максимальное напряжение на конденсаторе фильтра

Uсфmax =Uнmax =2Uнср +Unm =20В+1,73=21,73В

Требуемая емкость конденсатора фильтра

Cф=	145	=	145	=5,8мкФ.
			500 0,05 1
	f Kn Rн

Пример 12.

Провести анализ выпрямителя с емкостным фильтром, выполненного по схеме на рис. 32.

Здесь: U2=40В; f=50Гц; Cф=100мкФ; Rн=0,5к.

Выпрямитель и трансформатор полагать идеальными. Решение:

Максимальное напряжение на вторичной обмотке – на входе выпрямителя – составляет

U2m = 2U2 =2 40B = 56.4B.

Среднее значение напряжения на нагрузке

Uccp=Uнср=

U2m

56,4

=51,3В.

250

f C

501000,5

Действующее напряжение пульсаций

Uпд=

Ucm−Uccp

56,4 −51,3

5,1

= 2,95В.

Коэффициент пульсаций

Uпд

2,95

= 0,06

[6%].

Uнср

51,3

Uccp

В практических задачах коэффициенты пульсаций напряжений на конденсаторе фильтра – на нагрузке – могут иметь значения большие 7 ÷10%. В этом случае оказывается неправомерным допущение равенстваUн max =Uн ср, принятое при выводе использованных выше формул. Здесь необходима корректировка полученных ранее формул. После корректировки они приобретают следующий вид:

Uпд= 4

Iнср

Uнср

3 f C

cmax

;

145Iнср

145Uнср

пд

f C

нср

нmax

cmax

(11)

где Iн – измеряется в миллиамперах;Сф – в микрофарадах;Rн – в килоомах.

Дополнительно к соотношениям (11) полезно знать, что

Uнср	=	Uccp	=		1
Uнmax		Ucmax		1	+ 3	Kn

или

Uнmax=Ucmax=1+ 3 Kn.		(12)
Uнcp	Uccp

Соотношения (11) и (12) позволяют осуществить анализ и синтез выпрямителей с емкостными фильтрами для случая Кп>7%.

Для удобства пользования соотношения (12) можно представить графиками рис. 33а.

Эти же соотношения можно представить и таблично.

× 10 -3

Из тех же самых соображений удобства иногда полезно иметь график зависимости отношения Uпд кUc max от коэффициента пульсаций. Такой график представлен на рис. 33 б. Упомянутая зависимость может быть записана и таблично.

Пример 13 Провести анализ выпрямителя с емкостным фильтром, применитель-

но к примеру 12, используя графическую и табличную информацию, представленную выше.

Решение Коэффициент пульсаций напряжения на емкости фильтра составля-

ет			145			145
K	n	=	145		=	145		=0,058 [5.8%],
K		=	f C R		=	50 100 0,5		=0,058 [5.8%],
			f C R			50 100 0,5
			ф	н
из графиков или таблицы следует, что при Kп = 5,8%.Отношение
Uc max =1.1. Отсюда Uc c р = Uн с р =							56,4		= 5 0 , 9 В.
Uc max =1.1. Отсюда Uc c р = Uн с р =							1,1		= 5 0 , 9 В.
Uccp							1,1

Погрешность расчета по приближенным формулам, пример 12, составляет

= 51,3−50,9

1 0 0 % = 0 , 7 8 % .

50,9

Аналогично из графиков или таблицы отношение Uпд/Ucmax=Uпд/Uнmax при Кп=5,8% составляетUпд/Uнmax=52,52.10-3.Тем самым действующее

напряжение пульсаций составит Uпд=Ucmax.52,52.10-3=56,4. 52,52.10- 3=3,1В.

Таким образом даже при сравнительно малых пульсациях прявляются последствия допущения равенства Uс ср = Uc max. Погрешность расчета становится все более заметной по мере увеличения коэффициента пульсаций.

Приведенные выше соображения и примеры не учитывали падения напряжения на реальном выпрямителе, а также на сопротивлениях обмоток трансформатора. Последнее определяется собственно сопротивлениями обмоток и пиковыми токами, их обтекающими. Как известно, при одном и том же токе нагрузки – при одном и том же среднем токе на выходе выпрямителя – его входной ток, обтекающий обмотки трансформатора, отличается от среднего тока. Это следует из уже принятой посылки:

Q з = Qр ,

I3 t3 =Ip tp,

I3	= I p	tp	= Iнср	tp
					.
		t3
				t3

По мере уменьшения Кп, то есть по мере увеличения емкости конденсатора фильтра, наблюдается увеличениеtр при одновременном уменьшенииtз. Зарядный ток имеет пиковый характер, и пик этого тока имеет место приблизительно в те моменты времени, когда выпрямляемое напряжение достигает амплитудного значения. Отсюда следует, что максимальное выходное напряжение выпрямителя можно приблизительно оценить соотношением:

Uвых вып max= U2m– (R1n2+R2)Iн- Uвып,

где R1 – резистивное сопротивление первичной обмотки трансформатора;R2 – резистивное сопротивление вторичной обмотки;n – коэффициент трансформации трансформатора;Uвып – падение напряжения в выпрямителе.

Таким образом, для расчета выпрямителя с конденсаторным фильтром, то есть совокупности “реальный трансформатор – реальный выпрямитель

– емкостной фильтр – нагрузка” необходимо обязательно знать пиковые

токи Iп. Их аналитическая оценка достаточно трудоемка. По этой причине гораздо рациональнее свести эту процедуру к графической или табличной.

На рис. 34 представлены графические зависимости отношений пиковых токов к их средним значениям от коэффициента пульсаций для однополупериодных, рис. 34 а, и двухполупериодных, рис. 34 б, выпрямителей.

Эти же зависимости представлены ниже таблично.

Приведенные графические и табличные зависимости позволяют осуществить синтез реальных выпрямителей с емкостными фильтрами. В самом деле, при расчете собственно фильтра неизбежно определяется коэффициент пульсаций Кп. Тем самым, по величинеКп представляется возможным найтиIп и по формуле (24) определить требуемое амплитудное значение выпрямляемого напряжения

U2m=Uн ср+ Uвып+ Inик(R1n2 + R2 ) .

Несколько сложнее обстоят дела в части анализа реальных выпрямителей с емкостными фильтрами. Здесь решение задачи неизбежно становится итерационным. Обычно в таких задачах известны: U2m,Сф,Rн,R1,R2. Отсюда легко находится коэффициент пульсацийКп. ЗначениеКп позволяет на первом шаге определитьU’нср, пренебрегая потерями в трансформаторе. После этого можно определитьI′нср, а, следовательно, иI′пик. Теперь можно найтиU″нср с учетом потерь в трансформаторе и вычислитьI″нср. Теперь уточняетсяU″′нср с учетом потерьиз-зауточненного пикового тока . Эта процедура сходится. При разумных различныхU″нср иU″нср процесс вычислений прекращается.

В рассмотренных процедурах зависимость Iпик Iнср = f (Kп ) опре-

делена без учета сопротивлений обмоток трансформатора. Это приводит к завышенным оценкам пикового тока. В самом деле сопротивления обмо-

ток трансформатора влияют на отношение Iпик Iнср = f (Kп ). На рис 35

а представлены графики, позволяющие оценить пиковые токи в реальных трансформаторах для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей в зависимости от отношения сопротивления нагрузки Rн к сопро-

studfiles.net

Особенности сглаживающих фильтров, их схемы и пример расчета - Help for engineer

Особенности сглаживающих фильтров, их схемы и пример расчета

Для чего нужны сглаживающие фильтры?

Способ получения постоянного тока из переменного синусоидального (идеализированный вид) при использовании одно или двух полупериодного выпрямителя имеет ряд недостатков, о которых мы и поговорим далее.

Главным недостатком такого выпрямителя является пульсирующее напряжение. Избавление от пульсаций напряжения, их сглаживание – необходимое условие для корректной работы многих электрических приборов, особенно это касается радиоаппаратуры, где такой вид напряжения вносит хорошо заметные помехи. Так называемые, сглаживающие фильтры применяют для устранения пульсаций выходного тока и напряжения.


Емкостной	Индуктивный	Г-образный	П-образный

Так же используют различные комбинации выше перечисленных фильтров для достижения необходимого качества напряжения.

Как работает С-фильтр?

Принцип работы сглаживающих фильтров основывается на свойствах конденсатора и катушки индуктивности. Они выполняют роль резервуара энергии. Как известно, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, а на индуктивности ток не может мгновенно возрасти или исчезнуть. Эти свойства и положены в основу работы сглаживающих фильтров, рассмотрим это на примерах.

Схема С-фильтра (емкостной)

На рисунке выше, к первичной обмотке трансформатора подводиться переменное напряжение U, ко вторичной обмотке подсоединена нагрузка Rн, через которую должен протекать постоянный (выпрямленный) ток. Роль выпрямителя в представленной схеме играет диод, как работает полупроводниковый диод, Вы можете прочесть здесь. Конденсатор С – фильтрующий элемент.

Вид выходных тока и напряжения на С-фильтре

Действия диода во вторичной цепи трансформатора описывает серая, пульсирующая кривая. Если быть точным, диод обрезал отрицательную часть переменного напряжения, он пропускает только положительную волну, а при приложении отрицательного напряжения – запирается. Конденсатор С, как уже говорилось раннее – резервуар энергии. Когда диод открыт и ток протекает через нагрузку, то конденсатор (подсоединен параллельно) заряжается до величины напряжения в цепи. А когда диод закрыт (отрицательная волна синусоиды), благодаря наличию емкости, уровень напряжения не может резко снизиться. Конденсатор постепенно разряжается через нагрузку, таким образом, сглаживая огромные скачки уровня напряжения. Разряжается он до следующей положительной волны, а точнее, когда напряжение на катоде диода превысит напряжение на конденсаторе. И он вновь начнет заряжаться. Такая цикличность действий будет происходить постоянно. Красный цвет линии изображает работу такой смоделированной системы.

Если в качестве выпрямителя применять диодный мост, то выходные ток и напряжения приобретут следующий вид:

Благодаря тому, что диодный мост работает и при положительном, и при отрицательном напряжении - пульсность увеличилась в два раза.

Обратите внимание на вид тока (синий), из-за наличия конденсатора ток имеет резкий скачок, что в свою очередь не есть хорошо для любого электроприбора. На помощь в сложившейся ситуации приходит катушка индуктивности.

Роль индуктивности в сглаживании

Схема Г-образного фильтра (L+C)

От ранее описанной схемы L-фильтр отличается лишь тем, что вместо конденсатора, последовательно с нагрузкой подсоединена катушка индуктивности. На индуктивности ток не может измениться моментально. По этому, при положительной части полуволны (нарастание) ток с небольшой задержкой увеличивает свое значение, а когда происходит спадание – катушка наоборот не дает значению тока резко упасть, создается некоторое запаздывание. Результат действия катушки L можете наблюдать на представленном ниже изображении. Благодаря катушке, изменение значения тока происходит более плавно. Первую волну можете не принимать во внимание, при пуске происходят различные переходные процессы, которые и вызывают подобные вещи.

Разница в применении диодного моста и диода

1. Диодный мост работает постоянно (при положительной и отрицательной волне), что увеличивает пульсность выходного напряжения. Соответственно, для получения одного и того же значения напряжения, конденсатор в мостовой схеме нужен меньшей емкости, так как может себе «позволить» разряжаться быстрее.

2. При применении одного диода, имеет место момент времени, когда диод заперт и напряжение между его катодом и анодом равно двухкратному напряжению цепи (на катоде положительное значение благодаря конденсатору, а на аноде отрицательная полуволна, достигшая пика). По этому при выборе диода для выпрямителя, необходимо учесть, что его импульсное обратное напряжение должно превышать 2 значения рабочего напряжения. При работе диодного моста такого нюанса нет, так как диоды в этой схеме работают попарно при + и – волне.

3. Не нужно забывать про свойства полупроводниковых диодов. Ведь при прохождении p-n перехода существует падение напряжения, которое обязательно необходимо учитывать при подборе сглаживающего фильтра. Здесь выигрывает простой диод над диодным мостом. Потому что у него напряжение снижается лишь на одном элементе, а в мостовой схеме, ток в один момент времени протекает по двум полупроводникам. Этот эффект нагляден на рисунках ниже:

Влияние малой нагрузки на эффективность сглаживания

Активное сопротивление катушки индуктивности находится по формуле:

Для конденсатора:

Эффективность индуктивного и емкостного фильтров повышается при соблюдении следующих условий:

Исходя из этого, при очень малой нагрузке (сопротивления потребителя) невозможно будет использовать конденсаторный сглаживающий фильтр. Чем меньше нагрузка, тем большая емкость конденсатора требуется. При уменьшении сопротивления нагрузки, фильтр стает менее эффективным (недостаточный конденсатор для этого потребителя).

Вид выпрямленного напряжения при малой нагрузке (рисунок ниже):

		- выпрямление диодом;
		- мостовая схема.

Результат недостаточного сопротивления нагрузки в диодном мосте

Расчет конденсаторного фильтра

Пример. Допустим, у нас есть источник переменного напряжения U=12 B (действующее значение), в то время как его амплитуда будет равна 17 В. Подробнее о значениях переменного напряжения и их зависимостях читайте по ссылке. Сопротивление нагрузки Rн=300Ом. Выпрямление будем производить одним диодом, а С-фильтр - сглаживающий элемент цепи.

Первым делом, необходимо учесть падение напряжения на диоде, в модели выбран диод, у которого этот параметр равен 0,8 В (для мостовой схемы падение будет равно 0,8 В+0,8 В=1,6 В).

Выходное напряжение будет иметь амплитуду:

Таким образом, 16,2В – максимально возможное напряжение на выходе выпрямителя при бесконечной емкости, но в жизни значение будет, естественно, меньшим.

Емкость фильтра находим из условия: