Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
docx

Студенческий документ № 027843 из ИССО

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ, СТАТИСТИКИ И ИНФОРМАТИКИ

ИНСТИТУТ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра Автоматизированных систем

обработки информации и управления

Дисциплина: "Электротехника и электроника-2"

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

"ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ СХЕМ"

Вариант № 5

Работу выполнил(и)

студент(ы) группы Оценки по БРС

Работу принял: .

_______________

роспись

Москва 2011

Цель работы

Ознакомление с принципами построения выпрямительных схем и определение их основных параметров с помощью моделирующей программы.

Приборы, макеты, программы:

- Компьютер ACER;

- Программа Multisim 10.

Теоретические основы

Выпрямительные схемы предназначены для преобразования переменного двухполярного напряжения в пульсирующее однополярное напряжение. Они являются неотъемлемой частью источников вторичного электропитания (ИВЭП), которые устанавливаются в радио- и телевизионной аппаратуре, музыкальных центрах, персональных компьютерах и других устройствах бытовой техники. Выпрямительные схемы делятся на одно- и двухполупериодные (приведены на рис.1, a) однополупериодная; б) двухполупериодная ). Наиболее широко распространены двухполупериодные выпрямительные схемы, т.к. они вырабатывают непрерывные сигналы и способствуют более эффективной их обработке.

Двухполупериодные выпрямительные схемы имеют несколько разновидностей:

со средней точкой вторичной обмотки трансформатора;

с мостовой диодной схемой;

со схемой удвоения напряжения;4) со схемой умножения напряжения.

Рис.1 Основными параметрами выпрямителей являются:

Таблица 1

Среднее значения напряжения U_(В.СР) Среднее значения тока I_(Н.СР) Мощность P=U_(В.СР)•I_(Н.СР) Коэффициент пульсаций K_П=U_Bm/U_(В.СР) Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения U_Bm Амплитуда обратного напряжения на диоде. U_(ОБР.m)

На рис. 2.а и б приведены временные диаграммы работы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей соответственно. Из рис.2.а видно, что в первый полупериод действия напряжения U_2, т.е. в интервале времени 0-Т/2, диод VD открыт и в цепи возникает ток I_Н. В интервале времени Т/2-Т, т.е. во

второй полупериод действия напряжения U_2 диод VD заперт, т.к. к нему приложено обратное напряжение и ток в нагрузке отсутствует (I_Н=0).

В однополупериодном выпрямителе:

Рис.2 U_(В.СР)=1/2? ?_0^?-U_Bm sin?tdt=U_Bm/??0,318U_Bm (1)

Ток I_(Н.СР) является прямым током диода, поэтому:

I_(Н.СР)=I_(ПР.СР)=0.318 U_Bm/R_H . (2)

Коэффициент пульсаций определяется в результате разложения в ряд Фурье напряжения U_В (t), т.е.

U_В (t)=U_(В.СР) (1+?/2 cos?t+2/3 cos?t-2/15 cos4?t+...) (3) , откуда

К_П=(?U_(В.СР))/(2U_(В.СР) )?1,57. (4)

Достоинством однополупериодного выпрямителя является простота, т.к. используется только один диод. Недостатки - большой коэффициент пульсаций, низкая эффективность работы из-за наличия пропусков сигнала и малого значения U_(В.СР) а также подмагничивание трансформатора из-за наличия общего пути для переменной и постоянной (I_(Н.СР)) составляющих выходного тока.

Двухполупериодные выпрямители лишены этих недостатков.

Выпрямитель со средней точкой вторичной обмотки трансформатора (рис.1,б) можно рассматривать как сочетание 2-х однополупериодных выпрямителей, включенных на одну и ту же нагрузку. В каждый из полупериодов напряжения U_аб работает либо верхняя, либо нижняя его часть, т.е. в интервале времени 0-Т/2 диод VD_1открыт, т.к. потенциал точки "a" выше потенциала средней точки 0, а диод VD_2 заперт, т.к. потенциал точки "b" ниже потенциала средней точки "a". Через нагрузку протекает ток I_Н (рис.1.б). В следующий полупериод напряжения U_аб интервал времени Т/2-Т на рис.1.б) потенциал точки "b" выше, чем потенциал точки 0, а потенциал точки "a" ниже потенциала точки 0. Диод VD_2 открыт, а диод VD_1 заперт. При этом в нагрузке R_Н ток имеет то же направление, что и в предыдущем полупериоде. При одинаковых значениях U_2^' и U_2^'' эти токи будут равны.

Для этого выпрямителя имеем:

U_(В.СР)=1/? ?_0^?-U_Bm sin?tdt=?2U?_Bm/??0,636U_Bm; (5)

I_(Н.СР)=U_(В.СР)/R_H ?0.318 U_Bm/R_H

U_(ОБР.max)=U_аб=?U_(В.СР)?3,14U_(В.СР)=2U_2m (6)

Коэффициент пульсации при этом равен: К_п=0,67, т.к. выходное напряжение выпрямителя разлагается в ряд Фурье следующим образом:

U_В=U_(В.СР) (1+2/3 cos2?t-2/15 cos4?t+...), и U_B1m=2/3 U_(В.СР)=0,67U_(В.СР) (7).

Преимущества этого выпрямителя: средние значения U_(В.СР) и I_(Н.СР) в 2 раза больше, а пульсации меньше. Недостатком является удвоенное переменное напряжение во вторичной обмотке и большое обратное напряжение на диодах.

Сглаживающие электрические фильтры. Напряжение после выпрямления имеет значительную пульсацию. Для сглаживания пульсации напряжения применяются сглаживающие фильтры. Рассмотрим работу ёмкостного сглаживающего электрического фильтра, схема которого представлена на рис.3.

Рис. 3. Схема ёмкостного сглаживающего электрического фильтра.

Конденсатор C_Ф заряжается через VD до амплитудного значения напряжения U_1 в те отрезки времени, при которых напряжение U_1 во вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на C_Ф. В том случае когда U_C>U_1 , VD закрывается и конденсатор разряжается через R_H и тогда U_вых не уменьшается до минимума во вторую половину периода, а увеличивает усреднённое значение выпрямлённого напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямителем без сглаживающего электрического фильтра.

Самыми перспективными являются выпрямители с мостовой диодной схемой (рис.1.в), у которой в один полупериод открыты диоды VD_2 и VD_4 а в другой - диоды VD_1 и VD_3 что дает при равных U_(В.СР) и I_(Н.СР) с предыдущими выпрямителями снизить до уровня обратное напряжение на каждой паре диодов, что позволяет применять диоды с меньшим значением U_(ОБР.max) .

Если заменить в мостовой диодной схеме 2 диода на конденсаторы, то благодаря их способности накапливать заряд получим схему, выходное напряжение которой в режиме холостого хода в 2 раза превышает амплитуду напряжения U_2 (рис.1.г). При положительном U_2 будет открыт диод VD_1 и ток будет протекать через конденсатор C_2. При этом конденсатор C_2 зарядится до напряжения U_2m , а его полярность отмечена на рис.1.г символами "+" и "-". В случае, когда U_2<0, диод VD_1 запирается, но откроется диод VD_2. Ток потечет через него и зарядит конденсатор C_1 также до напряжения U_2m.

Поскольку напряжения U_С1и U_С2 приложены к нагрузке последовательно, то R_H будет находиться под напряжением, равным их сумме и, следовательно, U_(B.m)?2U_2m. В выпрямителе с удвоением напряжений U_(ОБР.)?2U_2m, подмагничивание в трансформаторе также отсутствует, но эта схема пригодна для создания только маломощных источников питания и значительных сопротивлений нагрузки. При малых значениях R_H конденсаторы будут успевать разряжаться и эффекта удвоения не произойдет.

В данной лабораторной работе необходимо исследовать следующие выпрямительные схемы:

1.однополупериодного выпрямителя;

2.двухполупериодного выпрямителя;

3. двухполупериодного выпрямителя с подключением конденсатора.

Относительная погрешность расчета, моделирования и натурного эксперимента при определении каждого параметра находится в процентах по формуле:

?А=(?А/A)*100%, где

?А-абсолютная погрешность;

A-значение измеряемого параметра.

Погрешности возникают при расчете, определении погрешностей отсчета на экране дисплея и погрешностей измерительных приборов при проведении натурных экспериментов. Для повышения точности отсчетов при прямых измерениях по экрану дисплея или с помощью измерительного прибора, целесообразно значение каждого параметра повторять ,примерно, три раза и в формулу для расчета относительной погрешности подставлять средние значения . В таком случае

?А= (?А1+ ?А2+ ?А3)/3;

А= (А1+ А2+ А3)/3, где

?А1, ?А2,?А3 - погрешности отдельных замеров;

А1, А2,А3 - значения отдельных замеров определяемого параметра.

При проведении косвенных измерений для определения результирующей абсолютной погрешности необходимо пользоваться дифференциалами функций. Дифференциалы некоторых функций (А) указаны в табл.1.

Таблица 1

Функция ?А y=x1+ x2 ±( ?x1+ ?x2) y=x1- x2 ± ( ?x1+ ?x2) y=k* x ±k*?x y=x1* x2 ± ( x2*?x1+ x1*?x2) y=x1/ x2 ± ( x2*?x1+ x1*?x2)/ x22

Порядок выполнения работы

Исследование однополупериодного выпрямителя.

Ознакомиться с теоретическими положениями работы.

В среде Multisim 10 собрать выпрямительную схему мостового типа (рис.4), подключить ее вход к источнику переменного напряжения, а выход - к резистору R.

Рис.4.Электрическая схема однополупериодного выпрямителя.

Для наблюдения за сигналами необходимо подключить электронный осциллограф (ЭО).

Приборы: вольтметр PV и амперметр РА перевести в режим измерения переменного тока (АС).

Запустить программу и установить изображение выходного сигнала на экране осциллографа.

Таблица Вариантов

Вариант 1 R=1.1 kОм E=8V C=6 мкФ Вариант 2 R=1.2 kОм E=8V C=6 мкФ Вариант 3 R=1.3 kОм E=8V C=6 мкФ Вариант 4 R=1.4 kОм E=8V C=6 мкФ Вариант 5 R=1.5 kОм E=8V C=6 мкФ Вариант 6 R=1.6 kОм E=8V C=6 мкФ Вариант 7 R=1.1 kОм E=10V C=8 мкФ Вариант 8 R=1.2 kОм E=10V C=8 мкФ Вариант 9 R=1.3 kОм E=10V C=8 мкФ Вариант 10 R=1.4 kОм E=10V C=8 мкФ Вариант 11 R=1.5 kОм E=10V C=8 мкФ Вариант 12 R=1.6 kОм E=10V C=8 мкФ

Моделирование(пример)

Рис.5Электрическая схема однополупериодного выпрямителя в среде EWB

Рис.6 Осциллограмма однополупериодного выпрямителя

Расчеты(ПРИМЕР).

Максимальное значение тока:

I_max=U_max/R=(3,442 В)/(1500 Ом)=0,0022946 А=2,295•?10?^(-3) А=2,295 мА

Среднее значение выпрямленного напряжения:

U_(В.СР)=U_max/?=3,442/3,14=0,096 В

Среднее значение выпрямленного тока:

I_(Н.СР)=I_(пр.ср)=I_max/?=(2,295•?10?^(-3))/3,14=0,731•?10?^(-3) А , где I_(пр.ср)- значение прямого тока диода.

Амплитуда основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения:

U_(max.расч)=0,45•U_ист=0,45•8В=3,6

Коэффициент пульсации: K_П=U_max/U_(В,СР) =3,6/2,434=1,479

Мощность:

P=U_(В.СР)•I_(Н.СР)=0,096 В•0,731•?10?^(-3) А=0,07•?10?^(-3) ВА=0,07 мВА

Результаты расчетов занесены в таблицу 2.

Таблица 2.

R, кОм U_max,B эксп. I_max,мА рас U_(В.СР),B рас U_ист,B эксп U_max, B рас I_(Н.СР), мА рас К_п

рас P мВА рас 1.5 3,442 2,295 0,096 8 3,6 0,731 1,479 0,07

Расчет погрешностей(ПРИМЕР):

?I_max=|I_(max.эксп)-I_(max.расч) |=|2,295-2,295|=0;

?((?I_max)/I_(max.расч) )=0/2,295•100%=0%

?U_max=|U_(max.эксп)-U_(max.расч) |=|3,442-3,6|=0,158;

?((?U_max)/U_(max.расч) )=0,158/3,6•100%=4,39%

Исследование двухполупериодного выпрямителя.

Ознакомиться с теоретическими положениями работы.

В среде Multisim 10 собрать выпрямительную схему мостового типа (рис.7), подключить ее вход к источнику переменного напряжения, а выход - к резистору R. Ключ К1 оставить разомкнутым.

Рис.7 Электрическая схема двухполупериодного выпрямителя.

Для наблюдения за сигналами необходимо подключить электронный осциллограф (ЭО).

Приборы: вольтметр PV и амперметр РА перевести в режим измерения переменного тока (АС).

Запустить программу и установить изображение выходного сигнала на экране осциллографа.

Моделирование(пример)

Рис.8 Электрическая схема двухполупериодного выпрямителя в среде EWB

Рис.9 Осциллограмма двухполупериодного выпрямителя.

Расчеты(пример).

Максимальное значение тока:

I_max=U_max/R=(5,961 В)/(1500 Ом)=0,003974 А=3,974•?10?^(-3) А=3,974 мА

Среднее значение выпрямленного напряжения:

U_(В.СР)=?2U?_max/?=(2•5,961)/3,14=3,791 В

Среднее значение выпрямленного тока:

I_(Н.СР)=0,636 U_max/R=U_(В.СР)/R=3,791/1500=2,527•?10?^(-3) А=2,527 мА

Амплитуда основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения:

U_(max.расч)=2•0,67•U_(В.СР)=2•0,67•3,791В=5,68 В

Коэффициент пульсации: K_П=0,67

Мощность:

P=U_(В.СР)•I_(Н.СР)=3,791 В•2,527•?10?^(-3) А=10,035•?10?^(-3) ВА=10,035 мВА

Результаты расчетов занесены в таблицу 4.

Таблица 4.

R, кОм U_max,B эксп. I_max,мА рас U_(В.СР),B рас U_max, B рас I_(Н.СР), мА рас К_п

рас P мВА рас 1.5 5,961 3,974 3,791 5,68 2,527 0,67 10,035

Расчет погрешностей(пример):

?I_max=|I_(max.эксп)-I_(max.расч) |=|3,975-3,974|=0,001;

?((?I_max)/I_(max.расч) )=0,001/3,974•100%=0,03%

?U_max=|U_(max.эксп)-U_(max.расч) |=|5,961-5,68|=0,281;

?((?U_max)/U_(max.расч) )=0,281/5,68•100%=4,95%

Исследование двухполупериодного выпрямителя с подключением конденсатора.

Ознакомиться с теоретическими положениями работы.

В среде Multisim 10 собрать выпрямительную схему мостового типа (рис.10), подключить ее вход к источнику переменного напряжения, а выход - к резистору R. Подключить конденсатор, замкнув ключ K1.

Рис.10 .Электрическая схема двухполупериодного выпрямителя с подключением конденсатора.

Для наблюдения за сигналами необходимо подключить электронный осциллограф (ЭО).

Приборы: вольтметр PV и амперметр РА перевести в режим измерения переменного тока (АС).

Запустить программу и установить изображение выходного сигнала на экране осциллографа.

Моделирование(пример)

Рис.11.Электрическая схема двухполупериодного выпрямителя с подключением конденсатора в среде EWB

Рис.12 Осциллограмма двухполупериодного выпрямителя с подключением конденсатора.

Расчеты(пример).

Максимальное значение тока:

I_max=U_max/R=(7,876 В)/(1500 Ом)=0,005251 А=5,251•?10?^(-3) А=5,251 мА

Среднее значение выпрямленного напряжения:

U_(В.СР)=?2U?_max/?=(2•7,876)/3,14=5,017 В

Среднее значение выпрямленного тока:

I_(Н.СР)=0,636 U_max/R=U_(В.СР)/R=5,017/1500=3,344•?10?^(-3) А=3,344 мА

Амплитуда основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения:

U_(max.расч)=2•0,67•U_(В.СР)=2•0,67•5,017В=7,623 В

Коэффициент пульсации: K_П=0,67

Мощность:

P=U_(В.СР)•I_(Н.СР)=5,017 В•3,344•?10?^(-3) А=16,777•?10?^(-3) ВА=16,777 мВА

Результаты расчетов занесены в таблицу 6.

Таблица 6.

R, кОм U_max,B эксп. I_max,мА рас U_(В.СР),B рас U_max, B рас I_(Н.СР), мА рас К_п

рас P мВА рас 1.5 7,876 5,251 5,017 7,623 3,344 0,67 16,777

Расчет погрешностей(пример):

?I_max=|I_(max.эксп)-I_(max.расч) |=|5,252-5,251|=0,001;

?((?I_max)/I_(max.расч) )=0,001/5,251•100%=0,02%

?U_max=|U_(max.эксп)-U_(max.расч) |=|7,876-7,623|=0,158;

?((?U_max)/U_(max.расч) )=0,158/3,6•100%=3,32%

4.4.Краткие выводы(сделать самостоятельно)

5.Контрольные вопросы

Для какой цели применяются в электронике полупроводниковые диоды:

а) для преобразования переменного напряжения в пульсирующее напряжение одной полярности;

б) для усиления электрических сигналов;

в) для генерирования электрических колебаний.

2. Основной параметр выпрямительных схем:

а) среднее значение выходного напряжения;

б) частотный диапазон;

в) коэффициент усиления.

3. Определить среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя, если

а) 6,4 В; б) 7,5 В; в) 5,0 В.

4. По какому (или по каким) из перечисленных ниже параметров подбираются диоды для выпрямителей:

а) по максимальному прямому току и по величине максимального обратного напряжения;

б) по обратному току;

в) по концентрации примесей.

5. Коэффициент пульсаций КП выпрямителей равен:

а) отношению амплитуды первой гармоники их выходного напряжения к среднему его значению;

б) отношению водной и выходной мощностей;

в) отношению средних значений тока и напряжения на выходе.

6. Коэффициент пульсации двухполупериодных выпрямителей равен:

а) 0,667; б) 1,57; в) 1,0.

7. Чем объяснить эффект увеличения выходного напряжения при замене двух диодов в

мостовой схеме конденсаторами:

а) способностью конденсаторов накапливать электрический заряд и возможностью их суммирования на общей нагрузке;

б) увеличением переменной составляющей выходного сигнала выпрямителя;

в) уменьшением потерь при передаче сигнала от входа к выходу.

8. Какой основной недостаток выпрямителей с удвоением и умножением напряжений:

а) малая передаваемая мощность;

б) большой коэффициент пульсаций;

в) низкая точность и стабильность выходного напряжения.

9. Какие выпрямители выпускаются в интегральном исполнении:

а) с мостовой схемой;

б) со средней точкой вторичной обмотки трансформатора;

в) с удвоением или с умножением напряжения.

10. Какому из параметров переменных напряжений должно равняться при эксплуатации

выпрямителей максимальное обратное напряжение стоящих в них диодов:

а) амплитудному значению;

б) действующему значению;

в) среднему значении.

Показать полностью…
283 Кб, 5 октября 2012 в 14:27 - Россия, Москва, ИССО, 2012 г., docx
Рекомендуемые документы в приложении