Что произойдет в мостовом выпрямителе при обрыве ветви содержащей с фильтр

Выпрямители и сглаживающие фильтры

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. Схемы однофазных выпрямителей бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые.

К основным параметрам выпрямителей относятся:

— среднее значение выходного напряжения

, (4.1)

где Т – период напряжения на выходе выпрямителя;

— среднее значение выходного тока

; (4.2)

— коэффициент пульсаций выходного напряжения

, (4.3)

где U_m – амплитуда основной (первой) гармоники напряжения на выходе выпрямителя.

В зависимости от типа выпрямителя, частота первой гармоники либо равна, либо в два раза больше частоты напряжения на входе выпрямителя.

Рассмотрим особенности построения и основные характеристики различных типов выпрямителей.

Однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, изображенную на рисунке 4.3. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение одного полупериода сетевого напряжения и, соответственно, напряжение на нагрузке также существует только в течение одного полупериода (рисунок 4.4).

Рисунок 4.3 – Однополупериодный выпрямитель

Рисунок 4.4 – Форма напряжений на входе и выходе выпрямителя

Получим выражения для определения основных параметров однополупериодного выпрямителя. Напряжение на нагрузке U_н содержит ряд гармонических составляющих. Разложив напряжение U_н в ряд Фурье, получим

. (4.4)

Из выражения (4.4) видно, что постоянная составляющая (среднее значение) напряжения на нагрузке равна , а амплитуда первой гармоники – . С учетом (4.3) коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя составляет

. (4.5)

При выборе диода для схемы выпрямителя учитывают такие его параметры, как максимально допустимый прямой ток и максимально допустимое обратное напряжение. В однополупериодном выпрямителе максимальное напряжение на закрытом диоде составляет U_2m, то есть равно амплитудному значению напряжения на обмотке трансформатора, а максимальный прямой ток через диод равен

, (4.6)

где I_cp – средний ток в нагрузке.

Однополупериодные выпрямители находят применение только в тех случаях, когда их нагрузкой являются цепи малой мощности. Основными недостатками таких выпрямителей являются высокий уровень пульсаций на выходе и подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, поскольку постоянная составляющая тока во вторичной обмотке трансформатора течет только в одном направлении.

Двухполупериодный выпрямитель может быть построен на основе параллельного соединения двух однополупериодных (рисунок 4.5). Такой выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (или имеющим две одинаковых вторичных обмотки, включенных последовательно). Точки возле изображений обмоток трансформатора указывают на начала обмоток.

Рисунок 4.5 – Двухполупериодный выпрямитель

Диоды в двухполупериодном выпрямителе проводят ток поочередно, каждый в течение одного полупериода. Во втором полупериоде (когда к диоду приложено обратносмещающее напряжение) диод закрыт. В то же время в нагрузке ток течет в каждом полупериоде, причем в одном направлении. Временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу выпрямителя, показаны на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Временные диаграммы токов и напряжений

Напряжение на нагрузке можно представить в виде . Его разложение в ряд Фурье имеет вид

. (4.7)

Найдем основные параметры двухполупериодного выпрямителя:

— постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна

, (4.8)

где U_2т – амплитуда напряжения каждой половины вторичной обмотки;

— амплитуда первой гармоники выходного напряжения составляет . С учетом этого коэффициент пульсаций равен

; (4.9)

— максимальное напряжение на закрытом диоде равно

; (4.10)

— максимальный прямой ток через диод равен

. (4.11)

Двухполупериодный выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями. В частности, среднее напряжение на нагрузке в два раза больше, а коэффициент пульсаций почти в два с половиной раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. В двухполупериодном выпрямителе магнитные потоки в сердечнике трансформатора, обусловленные постоянными составляющими тока вторичных обмоток, направлены встречно и взаимно компенсируются. Поэтому в такой схеме отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей, что позволяет использовать трансформатор относительно меньших размеров.

Однако перечисленные достоинства двухполупериодного выпрямителя, собранного по схеме, приведенной на рисунке 4.5, достигнуты за счет увеличения в два раза числа витков во вторичной обмотке (что экономически не выгодно). Кроме этого в схеме должны быть использованы диоды с допустимым обратным напряжением в два раза большим, чем у диодов для схемы однополупериодного выпрямителя при том же уровне напряжения на вторичной обмотке.

В настоящее время наибольшее распространение получила схема двухполупериодного мостового выпрямителя (рисунок 4.7). Диоды в такой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды VD1 и VD3, а вторая – VD2 и VD4. В течение положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора (на выводе, обозначенном буквой А – «+», а на выводе, обозначенном буквой В – «–») диоды VD1 и VD3 открыты, а диоды VD2 и VD4 закрыты.

Ток течет через нагрузку в направлении, показанном на рисунке 4.7 стрелкой. В течение отрицательного полупериода открыты диоды VD2 и VD4, а диоды VD1 и VD3 закрыты. Но ток через нагрузку течет в том же направлении. Поэтому в мостовом выпрямителе, как и в рассмотренном ранее двухполупериодном выпрямителе, входное синусоидальное напряжение преобразуется в пульсирующее однополярное (рисунок 4.6).

Все основные показатели двухполупериодного мостового выпрямителя (U_ср, I_ср, K_п) такие же, как и рассмотренного ранее двухполупериодного выпрямителя. Однако при этом число витков во вторичной обмотке трансформатора и напряжение на закрытых диодах U_{д обр макс} в два раза меньше.

Рисунок 4.7 – Мостовая схема выпрямителя

Сравнивая параметры двухполупериодных схем выпрямителей, можно сделать вывод, что мостовая схема имеет ряд преимуществ перед схемой со средней точкой:

а) вдвое меньшее требуемое напряжение на вторичной обмотке трансформатора для получения заданного выпрямленного напряжения;

б) вдвое меньшее напряжение на закрытом диоде;

в) меньшие габариты и вес.

К недостаткам мостовой схемы можно отнести большее в два раза число используемых диодов.

Для питания постоянным напряжением большинства устройств электроники коэффициент пульсаций не должен превышать 0,1. Ни одна из рассмотренных схем выпрямителей не обеспечивает такого коэффициента пульсаций. Поэтому для уменьшения пульсаций используют сглаживающий фильтр, который включают между выпрямителем и нагрузкой. Назначение сглаживающего фильтра – выделить из выпрямленного напряжения постоянную составляющую и подавить высшие гармоники.

Следовательно, сглаживающий фильтр является фильтром нижних частот. На рисунке 4.8 показан спектр напряжения на выходе выпрямителя и АЧХ сглаживающего фильтра (зависимость модуля комплексного коэффициента передачи напряжения K_ф от частоты). Как видно из рисунка, чем уже полоса пропускания фильтра (меньше частота среза АЧХ фильтра), тем лучше он подавляет высшие гармоники и, следовательно, уровень пульсаций будет меньше.

Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации:

, (4.12)

где U_пвх, U_пвых – амплитуды пульсаций на входе и на выходе фильтра.

Рисунок 4.8 – Спектр сигнала на выходе выпрямителя и АЧХ сглаживающего фильтра

Простейшим фильтром является емкостный фильтр (RС-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однополупериодного выпрямителя (рисунок 4.9). Емкостной фильтр подключают параллельно нагрузке.

Рисунок 4.9 – Выпрямитель с RС-фильтром

Временные диаграммы напряжений на нагрузке при отсутствии и наличии фильтра показаны на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 – Напряжение на нагрузке выпрямителя при наличии и отсутствии сглаживающего фильтра

, (4.13)

а это возможно, если R_н >> r_{д пр}, то в промежутках между пульсациями напряжения на выходе выпрямителя конденсатор будет разряжаться незначительно и амплитуда пульсаций U_п также будет иметь небольшие значения.

Если выполняется условие:

, (4.14)

где w₁ – частота основной (первой) гармоники, то переменная составляющая выпрямленного тока шунтируется конденсатором С, а постоянная составляющая без потерь проходит в нагрузку.

При выполнении условия (4.14) коэффициент сглаживания можно найти из выражения

. (4.15)

Из (4.15) можно получить формулу, позволяющую найти емкость фильтра, необходимую для обеспечения заданного коэффициента сглаживания

. (4.16)

Емкостный сглаживающий фильтр обычно применяют при больших сопротивлениях нагрузки.

При больших токах в нагрузке (малом сопротивлении нагрузки) целесообразно применять Г-образный LC-фильтр (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 – Г-образный LC-фильтр

Коэффициент сглаживания такого фильтра определяется из выражения

, (4.17)

откуда требуемые значения параметров элементов фильтра для обеспечения заданного коэффициента сглаживания могут быть найдены из равенства

. (4.18)

Источник

ТЕМА 1. Неуправляемые выпрямители

• убедитесь, что эта функция активирована на данном устройстве.

621.38

О-753

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

( Технический университет )

КНЯЗЬКОВ О.М., РОСЛЯКОВА Е.И., СОЛОДОВА М.Л., СОКОЛОВ В.Б.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

СБОРНИК

ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Методическое пособие

По курсу

«Электротехника и электроника»

Для студентов, обучающихся по направлениям

«Техническая физика»,

«Теплоэнергетика»,

«Промышленная теплоэнергетика»,

«Энергомашиностроение»

Москва Издательство МЭИ 2002

Утверждено учебным управлением МЭИ

Подготовлено на кафедре электротехники и интроскопии

Рецензент доцент, канд.техн.наук Федорова Е.М.

Сборник содержит индивидуальные задания по всем разделам курса «Основы промышленной электроники» к основным лабораторно-практическим занятиям (ЛПЗ), проводимым в лаборатории кафедры ЭИ, а также все необходимые справочные данные и характеристики.

Сборник предназначен для студентов, обучающихся по направлениям: «Техническая физика», «Теплоэнергетика», «Промышленная теплоэнергетика», «Энергомашиностроение».

Князьков Олег Михайлович, Рослякова Елена Ивановна,

Солодова Марина Леоновна, Соколов Валерий Борисович

Сборник индивидуальных заданий. Методическое пособие по курсу “Электротехника и электроника” для студентов, обучающихся по направлениям: «Техническая физика», «Теплоэнергетика», «Промышленная теплоэнергетика», «Энергомашиностроение».

Редактор издательства Е.Н.Касьянова

ЛР № 020528 от 05.06.97

Темплан издания МЭИ 2001 г.(II), метод. Подписано к печати 27.12.01

Печать офсетная Формат 60×84/16 Печ.л. 1,5

Тираж 500 Изд № 145 Заказ

Типография издательства МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14

Отпечатано в типографии ЦНИИ “ Электроника”, 117415, Москва, просп. Вернадского, 39

ãМосковский энергетический институт, 2002

ТЕМА 1. Неуправляемые выпрямители

Задание №1. Для заданного в табл. 1.1 типа выпрямителя без фильтра и с

С-фильтром выбрать тип диода и рассчитать:

— выпрямленное напряжение на нагрузочном резисторе U_Н.СР ;

— выпрямленный ток I_Н.СР ;

Фильтр считать идеальным. Данные для расчета приведены в табл. 1.2.

Задание №2. Письменно ответить на вопросы, номера которых заданы в табл.1.1. Перечень вопросов приводится ниже.

Ответы должны быть полными и содержать все осциллограммы и характеристики, обосновывающие изложенное.

1. По каким параметрам подбирается диод для выпрямителя?

2. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в схеме однополупериодного выпрямителя U_2,max=200В. Начертите схему этого выпрямителя и график мгновенных значений напряжения на приемнике. Рассчитайте емкость С-фильтра, если постоянная времени разряда t=5Т.Сопротивление приемника R_Н =20 кОм.

3. Начертите осциллограммы тока нагрузки для однополупериодного выпрямителя без фильтра и с С-фильтром. В каком случае и почему постоянная составляющая напряжения будет больше?

4. Поясните работу мостового выпрямителя. Каковы достоинства и недостатки этого выпрямителя по сравнению с однополупериодным?

5. Как изменится U_{ОБР., max} диода при подключении конденсатора параллельно нагрузке в схеме двухполупериодного выпрямления?

6. Как по внешней характеристике выпрямителя определить его эквивалентное сопротивление R_ВН и средний выпрямленный ток нагрузочного резистора сопротивлением R_Н?

7. Как изменится коэффициент пульсаций напряжения на нагрузочном

резисторе R_Н, если увеличить емкость фильтра С_Ф? Ответ проиллюстрируйте осциллограммами.

8. Сопоставьте внешние характеристики однополупериодного и мостового выпрямителей. Приведите уравнения внешних характеристик. Чем определяется и одинаков ли наклон этих характеристик?

9. Как изменится U_{ОБР., max} диода при подключении конденсатора параллельно нагрузке в схеме двухполупериодного выпрямителя?

10. Приведите схему двухполупериодного выпрямителя, поясните его

работу. К каким последствиям приведет обрыв одного из диодов в этой схеме?

11. Приведите схему двухполупериодного выпрямителя, поясните его

работу. К каким последствиям приведет короткое замыкание одного из диодов в этой схеме?

12. Изобразите схемы для снятия внешних характеристик неуправляемых

однополупериодного и мостового выпрямителей, а также сами характеристики. Сопоставьте эти внешние характеристики.

13. Сравните значения U_{ОБР., max} на диоде и постоянную составляющую

тока в нагрузочном резисторе для одно- и двухполупериодного выпрямителей при одинаковых напряжениях на вторичной обмотке трансформатора.

14. Как следует изменить величину емкости фильтра С_Ф для уменьшения

коэффициента пульсаций p неуправляемого выпрямителя.

15. Что произойдет в мостовом выпрямителе, при обрыве ветви содержащей

16. Как изменится напряжение на выходе мостового выпрямителя, если вместо одного нагрузочного резистора включить два резистора с одинаковыми

сопротивлениями: а) параллельно; б) последовательно?

18. Определите диапазон изменения напряжения на выходе стабилизатора

19. К каким последствиям приведет неправильное включение одного

из диодов в схеме мостового выпрямления?

20. Изобразите осциллограммы i_н(t), u_{обр,диода}(t) для схемы однополупе-

риодного выпрямителя в случае идеального и реального диода. ( Ответ обоснуйте ВАХ идеального и реального диода.)

21. В каком из мостовых выпрямителей (без фильтра или с С-фильтром) ток в нагрузочном резисторе будет меньше и почему?

22. Как изменится напряжение на выходе однополупериодного выпрямителя, если вместо одного нагрузочного резистора включить два резистора с одинаковым сопротивлением: а) последовательно; б) параллельно?

23. В каких случаях используется последовательное включение диодов в неуправляемом выпрямителе?

24. В каких случаях возможно параллельное включение диодов в неуправляемых выпрямителях?

25. Что такое внешняя характеристика неуправляемого выпрямителя? Сопоставьте внешние характеристики однополупериодного выпрямителя без фильтра и сС-фильтром?

26. Как изменится коэффициент пульсаций напряжения p на нагрузочном

резисторе при уменьшении емкости С_Ф фильтра?

27.Какие физические явления вынуждают ограничить обратное напряжение на диоде?

28. Как изменится постоянная составляющая напряжения U_Н.СР в однополупериодном выпрямителе ( напряжение на вторичной обмотке

ТЕМА 2. Усилитель с общим эмиттером

Задание №1. Построить зависимость u_ВЫХ(t) усилительного каскада с общим эмиттером и определить коэффициент усиления по напряжению.

Значение параметров УК с ОЭ заданы в табл. 2.1, где М – порядковый номер, N – номер группы.

для N=5¸10, u_ВХ(t)=(0,05´N) sinwt,В, для N=11¸15, u_ВХ(t)=(0,025´N) sinwt,В.

Необходимые характеристики № I-V представлены на рис.1-5.

Таблица 2.1

Задание №2. Письменно ответить на вопросы, номера которых заданы для Вашего варианта в табл.2.1.

1. Каково соотношение между токами эмиттера, коллектора и базы транзистора?

2. Как изменится полоса пропускания усилителя с ОЭ при уменьшении величины ёмкостей разделительных конденсаторов С_C?

3. Как экспериментальным путем определить амплитудную характеристику усилительного каскада с ОЭ?

4. Как изменится коэффициент усиления К_U при уменьшении сопротивления базы R_б?

5. Как изменится коэффициент усиления К_U при уменьшении сопротивления коллекторной цепи R_К?

6. Как изменится коэффициент усиления К_U при уменьшении ЭДС Е_К?

7. Как экспериментальным путем определить полосу пропускания усилителя с ОЭ? Привести необходимые схемы, предусмотреть измерительные приборы для снятия этой характеристики?

8. Что произойдет с усилителем с ОЭ при коротком замыкании коллекторной цепи?

9. Что произойдет с усилителем с ОЭ при обрыве коллекторной цепи?

10. Рассмотрите причины, которые могут привести к возникновению нелинейных искажений в схеме усилителя с ОЭ?

11. Почему коэффициент усиления K_U усилителя с ОЭ зависит от частоты входного напряжения в области низких частот?

12. Что такое динамический диапазон амплитудной характеристики

13. Как изменится коэффициент усиления K_U усилителя с ОЭ при уменьшении сопротивления нагрузочного резистора R_Н?

14. Что такое рабочая точка транзистора и как она определяется экспериментально?

15. Что такое полоса пропускания усилителя с ОЭ? Какие элементы схемы усилителя с ОЭ увеличивают полосу пропускания?

16. Какие предельные параметры ограничивают рабочую область на семействе выходных характеристик транзистора?

17. Что приводит к снижению коэффициента усиления K_U усилителя с ОЭ при увеличении частоты входного напряжения?

18. Как изменится коэффициент усиления К_U при увеличении сопротивления базы R_Б?

19. Как изменится коэффициент усиления К_U при увеличении сопротивления коллекторной цепи R_Н?

20. Как изменится коэффициент усиления К_U при увеличении ЭДС Е_К?

22. Как влияет сопротивление источника сигнала и нагрузки на коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада?

23. Начертите схему замещения усилительного каскада с ОЭ по переменной составляющей. Чем определяется коэффициент усиления по напряжению K_U для этой схемы?

24. Чем объясняется искажение формы выходного напряжения при больших входных напряжениях U_ВХ?

26. Как повлияет на амплитудно-частотную характеристику усилителя с ОЭ включение конденсатора параллельно нагрузочному резистору?

27. Как экспериментально определить полосу пропускания усилителя с ОЭ? Поясните схему замещения усилителя с ОЭ по постоянной составляющей.

28. Как изменится коэффициент усиления по напряжению K_U усилителя с ОЭ при увеличении сопротивления нагрузки R_Н в 2 раза?

29. Как повлияет на работу усилителя с ОЭ обрыв цепи коллектора?

30. Как изменится амплитудная характеристика усилителя с ОЭ при обрыве ветви с нагрузкой R_Н?

31. Как повлияет на работу усилителя с ОЭ короткое замыкание резистора R_К?

32. Чем определяется величину коэффициента усиления К_U усилителя с ОЭ? Как изменится К_U при подключении к усилителю нагрузки сопротивлением R_Н?

33. Поясните физический смысл элементов схемы замещения усилителя с ОЭ в h-параметрах?

34. Что произойдет при пробое входного конденсатора связи С_С?

35. Как изменится амплитудно-частотная характеристика усилителя с ОЭ при увеличении емкости входного конденсатора связи С_С?

36. Как изменится вид амплитудно-частотная характеристика усилителя с ОЭ при увеличении емкости выходного конденсатора связи С_С?

37. Что произойдет с амплитудной и амплитудочастотной характеристиками усилителя с ОЭ, если увеличить величину ЭДС питания коллекторной цепи?

38. Как повлияет на амплитудную характеристику усилителя с ОЭ увеличение сопротивления коллекторной цепи R_К?

39. Что нужно изменить в схеме усилителя с ОЭ для того, чтобы расширить его полосу пропускания?

40. Чем определяется и что ограничивает величину коэффициента усиления К_U двухкаскадного усилителя с ОЭ?

Дата добавления: 2014-12-23 ; просмотров: 79 ; Нарушение авторских прав

Источник