Тит лист ВУ 4 фак исправлено


Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский Государственный Аэрокасмический Университет
им. С.П. Королева
(Национальный исследовательский университет)»(СГАУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСКТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Самара 2014
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский Государственный Аэрокасмический Университет им. С.П. Королева
(Национальный исследовательский университет)»(СГАУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСКТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний к лабораторным работам
Самара Издательство СГАУ2014
УДК 621.3 (075)
ББК 32.79
М100
Составитель: Р.К.. Мирзаев
Рецензент: канд. техн. наук, доц. Г.П. Шопин
Исследование основных характеристик полупроводниковых выпрямителей: метод. указания / сост.. Р.К.. Мирзаев – Самара: Изд-во самар. гос. аэрокосм. Ун-та, 2014. – 15 с.
Методические указания предназначены для студентов неэлектрических факультетов всех специальностей «СГАУ им. С.П. Королева(Национальный исследовательский университет)», изучающих курс “ Электротехника и электроника ”.
В данной работе студенты исследуют основные характеристики полупроводниковых выпрямителей, исследуют влияние сглаживающих фильтров на внешние характеристики выпрямительного устройства.
Методические указания к выполнению лабораторной работы № 2 по дисциплине «Электротехника и электроника» предназначены для студентов очно-заочного и заочного образования
УДК 621.3 (075)
ББК 32.79
М100
© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2014
Учебное пособие
Исследование основных характеристик полупроводниковых выпрямителей

Методические указания
Составитель Мирзаев Равшан Кудратович
Редактор
Компьютерная верстка
Подписано в печать 12.12.14. Формат 60х84 1./16.
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Печ. л. 1,0
Тираж 50 экз.
Самарский государственный
аэрокосмический университет.
443086 Самара, Московское шоссе, 34.

Изд-во Самарского государственного
аэрокосмического университета.
443086 Самара, Московское шоссе, 34.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
2. КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Выпрямительное устройство
2.2 ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
2.3 Основные характеристики схем выпрямления
2.4 Сглаживающие фильтры. 2.5 оценка эффективности работы cглаживающих фильтров
3. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРИБОРЫ
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
4.1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНО- И ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫХ (МОСТОВОГО) СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
4.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Расчёт параметров и анализ полученных результатов
6. ВЫВОДЫ
7. ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ
8. Содержание отчёта
9. ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ
10. Литература
ВВЕДЕНИЕ
Методическое указание к лабораторной работе по «Исследование основных характеристик полупроводниковых выпрямителей» предназначено для студентов неэлектрических факультетов очно-заочной формы обучения всех специальностей «СГАУ им. С.П. Королева(Национальный исследовательский университет)», изучающих курс “ Электротехника и электроника ”.
Продолжительность лабораторной работы - 4 часа.
В данной работе изучаются:
- выпрямительные схемы переменного тока различных видов.
-основные характеристики выпрямительных схем;
- роль емкостных и индуктивных сглаживающих фильтров и область их целесообразного применения в силовой электронике.
В данной работе студенты исследуют основные характеристики полупроводниковых выпрямителей(коэффициент пульсации, коэффициент сглаживания, внешние характеристики), исследуют влияние сглаживающих фильтров на внешние характеристики выпрямительного устройства на лабораторных стендах, позволяющие измерять параметры основных характеристик выпрямительных схем и оценить эффективность сглаживающих фильтров на основе результатов измерений.
Работа проводится на лабораторном стенде , разработанной кафедрой электротехники СГАУ, с которым студенты должны ознакомиться, а также изучить работу измерительных приборов , при проведении эксперимента.
При подготовке к работе и после проведённых измерений студенты проводят расчёты коэффициента пульсации, коэффициента сглаживания и графические построения внешних характеристик выпрямительного устройства (одно- и двух- полупериодного, мостового выпрямителя).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
А. Изучить одно- и двухполупериодные ( мостовые) выпрямители переменного тока и основные характеристики схем выпрямления ;
Б. Исследовать влияние сглаживающих фильтров на внешние характеристики выпрямительного устройства.
В. Выполнить расчет коэффициентов пульсации и сглаживания емкостных и индуктивных фильтров для обоснования области их эффективного применения в выпрямительных схемах.
КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Выпрямительное устройствоВыпрямительное устройство (выпрямитель) - предназначено для преобразования переменного напряжения в постоянное и являются источниками питания двигателей постоянного тока, контрольно-измерительной техники, устройств автоматики и промышленной электроники. Выпрямительное устройство состоит из силового трансформатора, схемы выпрямления, состоящей из одного или нескольких диодов, и сглаживающего фильтра.
Трансформатор служит для преобразования одного вида напряжения (обычно – промышленная сеть переменного тока) в другое напряжение –пониженное или повышенное того вида ( в данном случае - для обеспечения заданного значения постоянного напряжения ) и гальванической развязки потребителя от сети.
Схема выпрямления (система вентилей, включенных по определенной схеме) преобразует переменный ток в пульсирующий (содержащий постоянную и переменную составляющие). Фильтр служит для уменьшения (сглаживания) пульсаций выпрямленного напряжения до величины, допустимой для нормальной работы потребителя, т.е. для преобразования пульсирующего напряжения в постоянное.

Рис. 2. Функциональная схема ВУ
2.2 ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Для выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых приборов существует много различных схем.
1, Однополупериодиая схема с активной нагрузкой приведена на рисунке 2.1, где Тр — силовой трансформатор, Д — диод и RH — нагрузка.
100965452755 3063240125095Рис. 2.1 Однополупериодиая схема включения Рис. -2.2 Графики работы однополупериодиой схемы
2. Двухполупериодная схема включения
2948940414655-70485153035Рис. 2.3 Двухполупериодиая схема включения. Рис. -2.4 Графики работы двухполупериодиой схемы
3.Мостовая однофазная схема выпрямления

Рис. 2.5 Мостовая однофазная схема включения.
2.3 Основные характеристики схем выпрямления:

В работе исследуются неуправляемые выпрямительные устройства, выполненные на диодах
Для удобства анализа изменены допущения, что диоды – идеальны, т.е.:
Rпр = 0; Rобр = ∞
а) Коэффициент пульсации. Важнейшей характеристикой (параметром) оценки качества выпрямительной установки (схемы) является коэффициент пульсации.
Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды k-й гармоники выпрямленного напряжения , (несинусоидальное напряжение может быть представлено в виде гармонического ряда , где коэффициенты ряда Фурье , – постоянная составляющая и амплитуда k-й гармоники выпрямленного напряжения) к среднему значению:
(1)
Обычно коэффициент пульсаций определяется по первой гармонике , так как она имеет наибольшую амплитуду и наименьшую частоту, а ее фильтрация связана с большими техническими трудностями:

(2)
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения определяется схемой выпрямления тока (напряжения)
1.В однополупериодной схеме такой гармоникой является первая (основная) с амплитудой
выражение для импульсов напряжения на нагрузке на основании разложения в ряд Фурье:
(3)
Первый член этого ряда — постоянная составляющая, равная , второй — - первая гармоника, имеющая частоту напряжения сети, остальные члены — переменные составляющие более высоких частот с быстро уменьшающейся амплитудой.
Величина пульсаций выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсаций:
(4)
Для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники соответственно равна

Учитывая выражение , запишем коэффициент пульсаций:
(5)
2. В двухполупериодных схемах низшей гармоникой является вторая и выражение для импульсов напряжения на нагрузке на основании разложения в ряд Фурье можно записать:: (6)где k = 2, 4, 6, 8...
Токи вентилей складываются, поэтому постоянные составляющие тока и напряжения равны среднему значению полусинусоидальных импульсов и значение выпрямленного тока равно

(7) постоянное напряжение Uo на нагрузке Rn равно

(7а) И соответственно выражение для низшей гармоники можно записать:
, (8)
Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций

(9)
На практике двухполупериодную схему часто используют. Ее недостатками являются: наличие отвода от середины вторичной обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмотки по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме.
3.Мостовая однофазная схема выпрямления приведена на рисунке и частота пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме такая же, как и в схеме с нейтральной точкой, поэтому и коэффициент пульсаций такой же
(10)
Мостовая схема является двухполупериодной и выпрямление характеризуется заметно меньшими пульсациями тока, а потому более широко используется в выпрямительных устройствах.
Практически определяется путем измерения (с помощью осциллографа) и (магнитоэлектрическим вольтметром, показания которого равны среднему значению постоянной составляющей измеряемого напряжения) и в этом случае , а
(11) б) Внешняя характеристика выпрямителя. Вторым важнейшим показателем выпрямительной установки, определяющим ее эксплуатационные возможности, является внешняя характеристика выпрямителя
, (12)
т.е. зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.. Поскольку выпрямители используют в качестве вторичных источников (преобразовательной) постоянного тока, то практический интерес имеет внешняя характеристика по постоянному току, т.е.
(13)
где и - соответственно средние значения выходного напряжения выпрямителя и тока нагрузки, измеряемые электроизмерительными приборами постоянного тока (например, магнитоэлектрической системы).
На рис.1 приведена внешняя характеристика выпрямителя попостоянному току.

Рис. 2.6. Внешняя характеристика выпрямителя (по постоянному току)
Выходное сопротивление выпрямителя можно определить из внешней характеристики выпрямителя , т. е. :, (14)
где – изменение напряжения на нагрузке, обусловленное изменением тока .
2.4. Сглаживающие фильтры.
Рассмотренные выше схемы выпрямления позволяют получить выпрямленное, но пульсирующее напряжение.
Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют так называемые сглаживающие фильтры.
Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов:
конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра — разделение выпрямленного пульсирующего тока а на постоянную/ 0 и переменную i~ составляющие (рис. ).

Рис. 2.7 Схема включения RC-фильтра. Рис. 2.8 Графики работы RC-фильтра
Постоянная составляющая (полезная) направляется в нагрузку, а переменная (точнее, переменные составляющие), являясь нежелательной, замыкается через конденсатор, минуя нагрузку. Физическая же сущность работы в фильтре конденсатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обычно большой емкости), подключенный параллельно нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым колебания этого напряжения. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании — задерживает их убывания, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки.
Практические схемы сглаживающих фильтров. Фильтры, состоящие из индуктивности L и емкости С, получили название LC-фильтров. Наиболее распространенным сглаживающим фильтром в выпрямителях электронных приборов является П-образный LC- фильтр (рис. , а). При небольших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. , б). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр составляют из нескольких ячеек П- или Г-образных LC- и RC-фильтров.
П-образный фильтр
Г-образный фильтр
RC-фильтрРис.2.9 – Схемы фильтров: а,б - П-образных CLC и CRC; в, г – Г-образных RC и LC ; д– емкостного
2.5. оценка эффективности работы cглаживающих фильтров.
Эффектность сглаживающих фильтров оценивается по значению коэффициента сглаживания
(15)
где и - коэффициенты пульсаций (1) напряжения соответственно при отсутствии и наличии сглаживающего фильтра, при этом
< (16)
то коэффициент сглаживания
S > 1, (S = 10-100) (17)
даже для простейших фильтров.
При использовании сложных многозвеньевых Г-образных фильтров величина S может достигать многих тысяч.
На практике наиболее эффективны комбинированные ( Г-образные) индуктивно-емкостные фильтры.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЯ
1.Лабораторный стенд- лабораторная установка для исследования характеристик однофазного выпрямителя
2.Измерительные приборы:
А) электромеханический вольтметр постоянного тока(магнитоэлектрической системы) ;
Б) Амперметр постоянного тока(магнитоэлектрической системы);
В) Осциллограф – прибор для визуального наблюдения формы сигналов.
Лабораторный стенд - Установка (рис.2) включает в себя:
-входной понижающий трансформатор Tp1, первичная обмотка которого включается на напряжение 220 В, а вторичные – формирует напряжение 60 и 20 В;
блок диодов (БД),как из двух, так и из четырех полупроводниковых диодов(мостов)- для получения одно- и двухполупериодных схем выпрямления с помощью переключателя S1 – S2 ,;
блок фильтров (БВ), состоящий из резисторов, дросселя Lф и конденсаторов С1ф – С4ф, включение которых обеспечивается соответствующими переключателями S 3 – S 5 .
- измерительных приборов (вольтметра и миллиамперметра) . Вольтметр используется в двух режимах, в первом из которых он измеряет среднее напряжение Ucp, а во втором - действующее, т.е. U

Рис. 3.1 – Схема лабораторной установки для исследования характеристик однофазного выпрямителя
3.Принципиальная электрическая схема стенда для исследования выпрямительных устройств приведена на рисунке 7. Стенд позволяет изучить свойства однотактных и двухтактных однофазных, а также двухфазной однотактной схем выпрямления при работе на активную нагрузку без фильтра и с простыми двухзвенными П-образными , фильтрами. Переключатели и служат для выбора типа исследуемой схемы выпрямления, а для подключения фильтра и нагрузки. Среднее напряжение нагрузки измеряется вольтметром, а ток – амперметром А (магнитоэлектрической системы).
Для измерения (и визуального наблюдения) переменных составляющих тока и напряжения в отдельных элементах схемы предусмотрены гнезда для подключения осциллографа. Для снятия осциллограммы тока через вентиль последовательно с ним включен резистор ..Схема экспериментальной установки

Рис3.2. Принципиальная схема экспериментальной установки
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
4.1 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СООТНОШЕНИЙ ДЛЯ ОДНО- И ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫХ (МОСТОВОГО) СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
Задание А. Исследование однополупериодного выпрямителя без фильтра.
S1 разомкнут. С помощью RH установить Icp = IH = 10 mA; измерит среднее напряжение Ucp, а затем установить Icp =0,5 IH., измерить опять Ucp , сделать замеры при IH = 0. [Imax → RH = 27 Ом]. При тех же значениях измерить Um с помощью осциллографа. Данные измерений внести в табл. 1.
Расчетное значение определяется (путем измерения - с помощью осциллографа и -магнитоэлектрическим вольтметром, показания которого равны среднему значению Ucp постоянной составляющей измеряемого напряжения) по формуле (11).
В случае использования цифровых приборов(вольтметров), сначала Ucp измерить , затем измерить действующее значение переменной составляющей выходного напряжения U.
По действующему значению переменной составляющей выходного напряжения U определяют соответствующую амплитуду:
Um = √2 * U~ (18)
Используя формулу (1), находят расчетом приближенное значение коэффициентов пульсации:
= Um~ / Ucp (19)

поскольку вместо амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения Um в (18) использована суммарная амплитуда всех гармоник Um~ .
Задание Б. Исследование выпрямителя с сглаживающими фильтрами.
1) Емкостной сглаживающий фильтр включают параллельно нагрузке, способствуя снижению пульсаций выпрямленного выходного напряжения. Исследование проводят при тех же режимах IH = IHOM; IH = 0,5IHOM и IH = 0 (хол. ход).
Данные записывают в табл. 1.
2) Индуктивный сглаживающий фильтр включают последовательно с нагрузкой и проводят исследование при тех же токах нагрузки.
Данные записывают в табл. 1.
По результатам измерений вычисляют коэффициент пульсации Ф с фильтром.

(20)Задание В. Исследование 2-х полупериодного (мостового) выпрямителя.
S1 замкнут.Затем повторяют измерения по п. А без фильтра и с фильтром.
Данные заносят в табл. 1.
По результатам измерений вычисляют коэффициент пульсации без фильтра и Ф с фильтром , S-коэффицент сглаживания одно- и двух- полупериодного выпрямителя. Оценить эффективность сглаживания.
Данные заносят в табл. 1.
Задание С. Исследование мостового выпрямителя.
S2 замкнут.Затем повторяют измерения по п. А без фильтра и с фильтром.
Данные заносят в табл. 1.
По результатам измерений вычисляют коэффициент пульсации без фильтра и Ф с фильтром , S-коэффицент сглаживания двухполупериодного и мостового выпрямителя. Оценить эффективность сглаживания.
Данные заносят в табл. 1.
4.2 Порядок выполнения лабораторной работы
Изучить электрическую схему установки (рис.1) с выяснением роли и назначения всех ее элементов..Включить схему выпрямления (Задание по пункту 4.1 –выбирается преподавателем) и после проверки выполнить подпункты опытов, описанных выше(см. Задания по пункту 4.1 ) .
Включить питание стенда и, изменяя ток нагрузки, записать в таблицу 1 величины , , ( измеряется с помощью осциллографа). Зарисовать форму напряжения , подключить осциллограф к клеммам , на резисторе при работе выпрямителя на активную нагрузку (все элементы фильтра выключены).
Повторить измерения по п. 3 при включенном индуктивном фильтре. Напряжение пульсаций измерять на входе и выходе фильтра.
Повторить измерения по п. 3 при включенном фильтре ( измерять на входе и выходе фильтра ).
Повторить (по заданию преподавателя) измерения по п. 3 при включенном многозвенном фильтре ( измерять с помощью осциллографа на входе и выходе фильтра).
Повторить (по заданию преподавателя) измерения по п. 3 при включенном многозвенном фильтре ( измерять с помощью осциллографа на входе и выходе фильтра).
При выполнении заданий по п. 3-6 ток нагрузки желательно устанавливать равным , , , , .
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ
1. По результатам измерений Вычислить значения параметров основных характеристики - коэффициент пульсации без фильтра и Ф с фильтром , S-коэффицент сглаживания одно- и двух- полупериодного и мостового выпрямителя.
Пользуясь данными табл. 1, построить на одном графике внешние характеристики однополупериодного выпрямителя Ucp = f(IH) при наличии емкостного или сглаживающего фильтров. Для сравнительной оценки показать на этом графике пунктиром внешнюю характеристику выпрямителя без фильтра.
Пользуясь данными табл. 1, построить на одном графике внешние характеристики двухполупериодного выпрямителя. Ucp = f(IH) при наличии емкостного или сглаживающего фильтров. Для сравнительной оценки показать на этом графике пунктиром внешнюю характеристику выпрямителя без фильтра.
Рассматривая в качестве критерия эффективности фильтра значение коэффициента сглаживания S, отметить в последнем столбце табл. 1 степень эффективности исследуемых фильтров.
Таблица 1 . Оценка эффективности сглаживающих фильтров.
Тип сглажи-
вающегофильтраРежим нагрузкиИзмереноВычисленоСтепеньэффективностиIH,
()
A Ucp,
()
B Um,
(по оцил.)
B Ф S Без фильтраномин. — — — 0,5 номин. — — холл. ход— — Емкостныйномин. — 0,5 номин. — холл. ход— Индуктивныйномин. — 0,5 номин. — холл. ход— ВЫВОДЫ. Написать выводы исходя из достигнутой цели.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ
Что является объектом исследования в данной работе?
Из каких основных частей состоит выпрямительное устройство?
Какие бывают схемы выпрямления? Как определить коэффициент пульсаций?
Как включить (укажите положение переключателей) заданную схему фильтра?
Как включить (укажите положение переключателей) заданную схему выпрямления?
Как измерить напряжение холостого хода выпрямительного устройства?
Содержание отчёта
1. Наименование и цель работы.
2. Краткая теоретическая часть.
3. Используемые приборы и оборудования.
4. Порядок выполнения лабораторной работы.
5. Результаты измерения. Таблицы с измеренными величинами и вычисленными. Графики (осциллограммы) характерных точек. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных
6. Выводы по работе.
ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ
По каким критериям оценивают выпрямительные устройства?
От чего и как зависит внешняя характеристика выпрямительного устройства?
От чего и как зависит коэффициент пульсаций выходного напряжения?
Объясните принцип действия однофазной схемы выпрямления.
Объясните принцип действия однофазной мостовой схемы выпрямления.
Изобразите временные диаграммы напряжения на вентиле, тока вентиля и напряжения на нагрузке дня однофазного (однополупериодного) выпрямителя с емкостным фильтром.
Пользуясь основными соотношениями для напряжений и токов выпрямителей без фильтров, произвести сравнительную оценку различных схем выпрямления.
Как отличаются средние значения напряжений на нагрузке на холостом ходу в выпрямительном устройстве с емкостным и индуктивным фильтрами и без фильтра?
От чего, и как зависит внутреннее сопротивление выпрямительного устройства?
Какие схемы выпрямления и фильтры целесообразно использовать при больших токах нагрузки, почему?
Какие схемы выпрямления и фильтры следует использовать при малых токах нагрузки, почему?
Литература
Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учебное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 2007.-440 с. (С.130-137).
Электротехника и электроника. В трех кн./ Под ред. В.Г. Герасимова - М.: Энегоатомизд., 1996.


Приложенные файлы

  • docx 504535
    Размер файла: 657 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий