Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения

Читайте также:

I. Закон и изотонический коэффициент Вант-Гоффа
RC и LC-фильтры, однозвенные и многозвенные, Г-образные и П-образные: схемы включения, коэффициент сглаживания, применение.
Алгоритм расчета коэффициента ранговой корреляции Спирмена rs.
АНАДИЗ ФИНАНСОВЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ
Анализ и оценка коэффициентов деловой активности
Анализ финансовой устойчивости с помощью финансовых коэффициентов.
Барьерная ставка, ставка и коэффициент дисконтирования, ставка и коэффициент капитализации
В. №20. Повышение коэффициента мощности.
ВАХ п./п. диодов. Электрические модели п/п диода. Уравнение Эберса-Молла, понятие о температурном коэффициенте напряжения и температуре удвоения.
Внешние характеристики инверторного выпрямителя.
Внимание: Уравнения регрессии считаются только при вычислениях коэффициентов корреляции Пирсона. При вычислении корреляций Спирмена эта опция окна настроек игнорируется.
Водостойкость, коэффициент размягчения строительных материалов.

коэффициент пульсации:

-отношение амплитуды к- ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения.

Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды.

Однополупериодный выпрямитель. Простейшим является однополупериодный выпрямитель (рис. 1.1.2). Напряжение и ток нагрузки имеют форму, показанную на рис. 1.1.3. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде.

Рис. 1.1.2

Среднее значение выпрямленного напряжения:

. (1.1.1)

Здесь – действующее значение входного напряжения. С помощью формулы (1.1.1) по заданному значению напряжения можно найти входное напряжение выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение на диоде:

Максимальный ток диода:

Рис. 1.1.3

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, равный отношению максимального и среднего напряжений. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций

Выпрямленные напряжение и ток в схеме на рис. 1.1.2 имеют большой уровень пульсаций. Поэтому на практике такую схему применяют в маломощных устройствах в тех случаях, когда не требуется высокая степень сглаживания выпрямленного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители. Меньший уровень пульсаций выпрямленного напряжения можно получить в двухполупериодных выпрямителях. На рис. 1.1.4 показана схема выпрямителя с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 1.1.4

Во вторичной обмотке трансформатора индуцируются напряжения и , имеющие противоположную полярность. Диоды проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода. В положительный полупериод открыт диод VD1, а в отрицательный – диод VD2. Ток в нагрузке имеет одинаковое направление в оба полупериода, поэтому напряжение на нагрузке имеет форму, показанную на рис. 1.1.5. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на диоде.

Рис. 1.1.5

В двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока и напряжения увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой:

; .

Из последней формулы определим действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Коэффициент пульсаций в данном случае значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя:

Так как ток во вторичной обмотке трансформатора двухполупериодного выпрямителя синусоидальный, а не пульсирующий, он не содержит постоянной составляющей. Тепловые потери при этом уменьшаются, что позволяет уменьшить габариты трансформатора.

Существенным недостатком схемы на рис. 1.1.4 является то, что к запертому диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки трансформатора:

Поэтому необходимо выбирать диоды с большим обратным напряжением. Более рационально используются диоды в мостовом выпрямителе (рис. 1.6).

Рис. 1.1.6

Эта схема имеет такие же значения среднего напряжения и коэффициента пульсаций, что и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора. Ее преимущество в том, что обратное напряжения на диодах в два раза меньше. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора содержит вдвое меньше витков, чем вторичная обмотка в схеме на рис. 1.1.4.

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 10752 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Исследование работы однополупериодного выпрямителя без фильтра

Рис 1.1 Схема изучаемого выпрямителя

Рис 1.2 Схема моделируемого выпрямителя

однополупериодный выпрямитель напряжение пульсация

На графике (Рис 1.3) показано напряжение до ( красная линия ) и после (синяя линия ) выпрямления.

Напряжение источника питания . Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке равно , и считается по формуле

Амплитуда пульсации , и находится по формуле

Рис 1.3 Форма графика

1.2 Исследовать работу однополупериодного выпрямителя с ёмкостными фильтрами. Зарисовать форму графика для фильтров с разными ёмкостями.

Схема исследуемого выпрямителя представлена на рисунке 1.4 Схема моделируемого выпрямителя представлена на рисунке 1.5 Форма графика для фильтра А представлена на рисунке 1.6 Форма графика для фильтра Б представлена на рисунке 1.7

Рис. 1.4 Схема исследуемого выпрямителя

Рис 1.5 Схема моделируемого выпрямителя

Рис 1.6 Форма графика для фильтра с ёмкостью 5мкФ

Рис 1.7 Форма графика для фильтра с ёмкостью 10мкФ

На рисунках 1.6 — 1.7 в схеме установлены ёмкостные фильтры с параметрами : ёмкость А = 5 мкФ, ёмкость Б = 10 мкф.

Как видно из графиков, ёмкость влияет на сглаживание выпрямленного напряжения за счет увеличения времени разряда конденсатора. Чем больше ёмкость, тем ровнее будет выпрямленное напряжение и меньше амплитуда пульсации. Среднее напряжение на нагрузке тоже возрастает. В месте с этим возрастает и средний прямой ток.

1.3 Снять выходную нагрузочную характеристику однополупериодного выпрямителя, как зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Построить график

Нагрузочная характеристика представлена на рисунке 1.8

Рис. 1.8 Нагрузочная характеристика

1.4 Исследовать работу мостового выпрямителя без фильтра. Показать форму графика и измерить амплитуду выходного напряжения и пульсации. Сравнить с однополупериодныоми выпрямителями.

На рисунке 1.9 показана схема исследуемого выпрямителя, на рисунке 1.10 представлена модель выпрямителя в WorkBench, а на рисунке 1.11 показана форма графика выходного напряжения.

Рис. 1.9 Исследуемый выпрямитель

Рис. 1.10 Модель выпрямителя

Рис. 1.11 Форма графика выходного напряжения

Амплитуда выходного напряжения составляет 26.9 В

Амплитуда пульсации составляет 26.9 В

Как видно из полученных данных и формы графика, мостовой выпрямитель в отличии от однополупериодного, при тех же параметрах цепи ( входное напряжение, нагрузка ) не делает пропусков в пол периода, как однополупериодный выпрямитель ( Рис 1.3 ).

1.5 Исследовать работу мостового выпрямителя с ёмкостным фильтром. Показать форму графика и измерить амплитуду выходного напряжения и пульсации для двух фильтров разной ёмкости. Сравнить результаты между собой и однополупериодныоми выпрямителями.

На рисунке 1.12 показана схема исследуемого выпрямителя, на рисунке 1.13 представлена модель выпрямителя в WorkBench, а на рисунке 1.14 и 1.5 показаны формы графиков выходного напряжения для двух разных фильтров. Рисунок 1.14 — с фильтром в 5 мкФ, рисунок 1.15 — с фильтром 10 мкФ.

Рис. 1.12 исследуемый выпрямитель

Рис. 1.13 Модель выпрямителя

Рис. 1.14 Форма графика. Фильтр — 5 мкФ

Рис. 1.14 Форма графика. Фильтр — 10 мкФ

Амплитуда выходного напряжения для рисунка 1.13 составляет 26.95 В

Амплитуда пульсации для рисунка 1.13 составляет 16.15 В

Амплитуда выходного напряжения для рисунка 1.14 составляет 26.94 В

Амплитуда пульсации для рисунка 1.14 составляет 11.21 В

Как видно из полученных данных, амплитуда пульсации уменьшается с увеличением ёмкости фильтра, а если сравнить графики с однополупериодными выпрямителями ( Рис. 1.6 — 1.7 ) то можно увидеть что форма выходного напряжения значительно ровнее, так же выше среднее выходное напряжение и ток нагрузки. Чем больше ёмкость фильтра, тем ближе среднее выходное напряжение к максимальному выходному напряжению.

1.6 Изучение мостового выпрямителя с RC фильтром. Форма графика, амплитуда выходного напряжения и амплитуда пульсации

На рисунке 1.15 показана схема изучаемого выпрямителя, рисунок 1.16 изображает модель выпрямителя в программе, а на рисунке 1.17 отражен график выходного напряжения.

Рис. 1.15 Изучаемый выпрямитель с RC фильтром

Рис. 1.16 Схема модели выпрямителя

Рис. 1.17 Форма графика выходного напряжения

Амплитуда выходного напряжения равна 13.7 В

Амплитуда пульсации равна 6.04 В

Как видно из графика и выходных данных. RC фильтр значительно сглаживает форму пульсации и её амплитуду в сравнении с другими фильтрами, но в месте с этим амплитуда выходного напряжения тоже уменьшается.

Исследование однополупериодного выпрямителя

Собрать схему однополупериодного выпрямителя в электронном пакете WorkBench в соответствии с рисунком 2.1. Значения U2, Cф и Rн взять в соответствии с вариантом.

Вариант 21, значения : U2 = 36 В, Cф = 5мкФ и Rн = 1200 Ом

Рис. 2.1 однополупериодный выпрямитель

Рис. 2.2 Модель выпрямителя

Модель выпрямителя показана на рисунке 2.2, а на рисунке 2.3 изображена форма графика выходного напряжения на нагрузке. Красной линией показано напряжение до выпрямления, зеленой — после.

Рис. 2.3 Форма графика выходного напряжения

Напряжение источника питания . Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке равно , амплитуда выходного напряжения В, амплитуда пульсации , среднее напряжение на нагрузке

Средний ток на нагрузке

Напряжение на диоде равно амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке

Изменение сопротивления нагрузки влияет на скорость разряда конденсатора. Чем больше сопротивление — тем медленнее будет разряжаться конденсатор, чем оно меньше — тем быстрее конденсатор будет разряжаться.

Ёмкость конденсатора линейно влияет на скорость его разряда. Чем больше емкость, тем дольше он будет разряжаться, и на оборот соответственно.

Рис. 2.4 График тока на нагрузке

Рис. 2.5 График прямого тока на диоде

Среднее значение тока = 23.17 А, а максимальный ток составляет 49.94 А

Влияние частоты входного напряжения на пульсацию:

При уменьшении частоты амплитуда пульсации будет возрастать, так как длинна периода возрастает, и у ёмкости будет больше времени на разрядку, так же снижается среднее напряжение на нагрузке.

При увеличении частоты, амплитуда пульсации будет уменьшаться, так как ёмкость не будет успевать разряжаться. Вместе с этим, обратное напряжение и среднее напряжение на нагрузке, будут больше.

Задание 3: Исследование мостового выпрямителя ( рис 3.1 )

Рис 3.1 Изучаемый мостовой выпрямитель без устройств измерения

Рис. 3.2 Модель выпрямителя

Рис. 3.3 Напряжение на нагрузке(красный гр.)

Амплитуда выходного напряжения 26.6 В

Амплитуда пульсации 9.59 В

Среднее выходное напряжение 20.5 В

Средний ток нагрузки 0.04 А

Максимальный ток 0.09 А

Зависимость коэффициента пульсации от ёмкости:

Рис. 3.4 Зависимость коэффициента пульсации от ёмкости

Из графика зависимости коэффициента пульсации от ёмкости видно, что, чем меньше ёмкость, тем больше коэффициент пульсации. Коэффициент пульсации находится при помощи амплитуды пульсации и среднего выходного напряжения, а при снижении ёмкости они увеличиваются.

В лабораторной работе исследовали однополупериодные, и мостовые выпрямители с фильтрами и без фильтров. Использовали емкосные фильтры (5, 10 мкФ). Все необходимые схемы были собраны в пакете — Electronic WorkBench. На каждую собранную схему были выведены графики переменного напряжения на данных участках с помощью осциллографа, входящего в пакет EWB.

Суть выпрямителей — в преобразовании напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. На выходе такого выпрямителя получается пульсирующее напряжение постоянного тока, которое пригодно для питания энергетических потребителей, например, двигателей постоянного тока. Для получения постоянного напряжения без пульсаций на выходе выпрямителя подключают фильтры.

Выпрямители необходимы, ведь существует большое количество устройств, для питания которых необходимы источники постоянного тока. Прежде всего, это множество электронных устройств, применяемых в быту, системах автоматизации и других отраслях промышленности. Постоянный ток дают химические источники тока: батарейки и аккумуляторы. Но они имеют низкую мощность, ограниченный период работы и высокую цену.

На выходе выпрямителя получается пульсирующее постоянное напряжение. Для многих электронных устройств коэффициент пульсации питающего напряжения не должен превышать р = 10 2 — 10 5 . Поэтому для уменьшения пульсации применяются сглаживающие фильтры.

Сглаживающие фильтры выполняются обычно на реактивных элементах: конденсаторах и дросселях. Здесь используются реактивные свойства этих элементов: при последовательном включении — дроссель имеет большое сопротивление переменному току; при параллельном включении — конденсатор имеет малое сопротивление переменному току. Особенностью фильтров является то, что емкость фильтра лучше сглаживает пульсации при малых токах нагрузки, а индуктивный фильтр, наоборот, при больших токах.

Емкостной фильтр включается всегда параллельно нагрузке. Рассмотрим однополупериодный выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром (рис. 3.18).

Принцип сглаживания сводится к следующему (рис. 3.18, б): в первый полупериод (0—7/2), когда потенциал точки А выше потен-

Рис. 3.18. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и его временные диаграммы напряжения (б)

циала точки В, диод VD1 открыт и конденсатор заряжается через низкое внутреннее сопротивление диода до f/_2max. Когда потенциал точки А ниже напряжения на конденсаторе, во втором полупериоде (7/2—7) — диод закрыт и конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R_H до тех пор, пока потенциал точки А не окажется выше напряжения на конденсаторе.

Напряжение на запертом диоде будет определяться по второму закону Кирхгофа:

причем конденсатор заряжается до значения U_2тах, значит:

— для однополупериодного выпрямителя

— для двухполупериодного выпрямителя

Средневыпрямленное напряжение выпрямителей с фильтром определяется по формуле

Рассмотрим двухполупериодный мостовой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром (рис. 3.19, а).

Из анализа временных диаграмм (рис. 3.19, б) видно, что с изменением емкости конденсатора С будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом, чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе /_н. Если постоянная времени разрядки конденсатора, равная т_разр = CR_H, будет т_разр >> Г, то коэффициент пульсаций рассчитывается по формулам:

— для однополупериодной схемы

Рис. 3.19. Схема мостового выпрямителя с емкостным фильтром (а) и его временные диаграммы (б)

— для двухполупериодной схемы

где f_c — частота сетевого напряжения.

Для выбора конденсатора необходимо рассчитать его емкость и рабочее напряжение. Емкость фильтра в случае малых пульсаций определяется по формулам:

— для однополупериодного выпрямителя

— для двухполупериодного выпрямителя

Рабочее напряжение конденсатора рассчитывается с 30 % запасом:

Основным параметром, характеризующим эффективность работы электрического сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра. При проектировании фильтров должны выполняться требования: минимальное падение напряжения на элементах фильтра, минимальные габариты и масса.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максимальное значение тока через диод определяется только внутренним сопротивлением этого элемента, поэтому он может достигать значений больших максимально допустимых значений прямого тока диода. Такой ток может вывести из строя диод. Чтобы избежать этого, к диоду последовательно включают добавочный резистор.

Если требуется более высокий коэффициент сглаживания, то используется более сложные фильтры LC или RC.

Индуктивно-емкостные фильтры (Г-образные LC и П-образные CLC) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. Коэффициент полезного действия у таких фильтров достаточно высокий. К их недостаткам относятся: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный индуктивно-емкостный фильтр, схема которого показана на рис. 3.20.

Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий:

Пренебрегая потерями в дросселе, при их выполнении для коэффициента сглаживания можно записать:

где т зависит от схемы выпрямителя:

Рис. 3.20. Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра

т = 1 для однофазного однополупериодного выпрямителя;

т = 2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).

Во избежание резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать q > 3. Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. При индуктивной реакции фильтра меньше действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора (а следовательно, меньше и требуемая габаритная мощность трансформатора). Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы

П-образный CLC фильтр отличается от описанного Г-образно- го наличием еще одной емкости, включаемой на входе фильтра (на рис. 3.20 конденсатор СО, показан пунктиром). Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают емкость конденсатора СО исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при СО = С1.

При выборе конденсаторов фильтра необходимо следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение, на 15—20 % превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.

Резистивно-емкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10—15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость, недостаток — сравнительно

Рис. 3.21. Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра

большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

Простейший Г-образный RC фильтр (рис. 3.21) состоит из балластного резистора (Яф) и конденсатора (С1). Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле

где т зависит от схемы выпрямителя:

т = 1 для однофазного однополупериодного выпрямителя; т — 2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей.

Сопротивление фильтра (Яф) выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД (И) по формуле Яф = R_H(l—h)/h.

Оптимальным считается КПД порядка 0,6—0,8.

Расчет П-образного резистивно-емкостного фильтра (его схема включает дополнительный конденсатор СО, показанный на рис. 3.21 пунктиром) производится, как и в случае П-образного CLC фильтра, в два этапа после разделения этого фильтра на емкостный (СО) и Г-образный LC1 фильтр.

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При этом могут использоваться как однотипные, так и разнотипные звенья. При каскадном включении LC фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания