Материал: Типикин Е.Г. Лабораторный практикум по курсу Электроника

Лабораторная работа № 4 Исследование однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром

Цель работы: исследование однополупериодного выпрямителя и сглаживающего RC-фильтра.

Краткие теоретические сведения. Выпрямителями называют устройства, служащие для преобразования переменных напряжений и токов в постоянные, используемые для пи­тания радиоэлектронной аппаратуры. Обобщенная структурная схема выпрямительного устройства представлена на рис. 4.1. Переменное напря­жение сети поступает на первичную обмотку трансфор­матора Т, с вторичной обмотки которого напряжение подается на блок вентилей В. Выпрямленное пульсирующее напряжение сглаживается фильтром Ф и поступает на стабилизатор напряжения СН, обеспечивающий постоянство выходного напряжения. По­стоянное напряжение используется для питания электронного устройства, экви­валентно представленного резистором нагрузки R_Н. Основу выпрямителя составляет вентильный блок, который строится в маломощных выпрямителях с применением выпрямительных диодов. Другие блоки в выпрямительном устройстве могут отсутствовать в зависимости от условий применения.

Рис. 4.1.Обобщенная структурная схема выпрямительного устройства

Для упрощения анализа выпрямителей диоды считают идеальными вентильными элементами, обладающими резко выраженной несимметричной ВАХ (рис.4.2а) и односторонней проводимостью. При U>0 (прямое включение) сопротивление вентильного элемента равно нулю при U<0(обратное включение) равно бесконечности.

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя представлена на рис.4.2б.

а) б) в)

Рис. 4.2. ВАХ идеального диода (а), схема простейшего выпрямителя (б) и графики напряжения и тока (в)

При напряжении питания вентильный элемент обеспечивает протекание тока i₂ в нагрузке R_Н только в положительном направлении (рис.4.2в).

Постоянная составляющая U_2- однополупериодного напряжения на сопротивлении нагрузки равна среднему значению напряжения u₂(t) за период:

.

Действующее значение U₂ однополупериодного напряжения на сопротивлении нагрузки равно его среднеквадратическому значению

.

Ток, протекающий в сопротивлении нагрузки, определяется по Закону Ома .

Активная мощность Р, выделяющаяся в сопротивлении нагрузки

.

Коэффициент пульсаций К_П равен отношению амплитуды первой гармоники выпрямленного тока к его постоянной составляющей. Поскольку разложение в ряд Фурье однополупериодного выпрямленного тока имеет вид

, то .

Большим недостатком однополупериодного выпрямителя являются большие пульсации тока и напряжения на нагрузке. Для уменьшения этих пульсаций применяются сглаживающие фильтры. В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько кОм, хороший результат дает применение Г-образных RC-фильтров (рис.4.3).

Рис.4.3. Однополупериодный выпрямитель со слаживающим фильтром

При выборе X_CФ << R_Ф на резисторе R_Ф создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих тока, чем на резисторе R_Н. Если выбрать значение R_Ф из соотношения , то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе R_Ф будет минимальным. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе R_Н значительно уменьшится. Коэффициент сглаживания для Г-образного RC-фильтра определяется из выражения .

Рис.4.4. Схема исследуемой цепи

Рабочее задание

1.Подготовьте к работе исследуемую цепь. Для этого

а) познакомьтесь со схемой исследуемой цепи (рис.4.4);

б) соберите исследуемую цепь.

2. При разомкнутом ключе К (без сглаживающего фильтра) подай­те на вход выпрямителя переменное напряжение U₁, с величиной и частотой, указанными преподавателем.

3. Включите осциллограф последовательно в точки A,D; B,D и C,D.

Зарисуйте наблюдаемые процессы с соблюдением масштаба.

4. Те же измерения проделайте при замкнутом ключе К (включенном сглаживающим фильтре).

5.Дайте подробные объяснения полученным результатам.

Контрольные вопросы

1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах диодов.

2.Что такое идеальный вентильный элемент?

3.Как работает однополупериодный выпрямитель?

4.Какими основными параметрами характеризуются выпрямители?

5. Для чего применяется и как работает сглаживающий RС-фильтр?

Лабораторная работа № 5 Исследование двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром

Цель работы: исследование двухполупериодного выпрямителя и сглаживающего RC-фильтра.

Краткие теоретические сведения

Схема двухполупериодного мостового выпрямителя представлена на рис.5.1а.

а) б)

Рис. 5.1. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя (а) и графики напряжения и тока (б)

При напряжении питания мостовая схема обеспечивает за каждый период Т протекание в нагрузке R_Н двух полуволн тока i₂ (рис.5.1б). При u₁ >0 диоды Д₂ и Д₃ открыты, а Д₁ и Д₄ заперты, ток проходит через диод Д₂, сопротивление нагрузки и диод Д₃. При u₁ <0 диоды Д₁ и Д₄ открыты, а Д₂ и Д₃ заперты, ток проходит через диод Д₄, сопротивление нагрузки и диод Д₁.

Постоянная составляющая U_2- напряжения на нагрузке при двухполупериодном выпрямлении равна .

Действующее значение U₂ однополупериодного напряжения на нагрузке .

Активная мощность Р, выделяющаяся в сопротивлении нагрузки

.

Коэффициент пульсаций К_П равен отношению амплитуды первой гармоники выпрямленного тока к его постоянной составляющей. Поскольку разложение в ряд Фурье двухполупериодного выпрямленного тока имеет вид

, то .

М остовой выпрямитель в сравнении с однополупериодным имеет большее значение среднего выпрямленного тока, меньший коэффициент пульсаций.

Рис.5.2. Схема исследуемой цепи

Рабочее задание

1. Соберите исследуемую цепь, в качестве сопротивления нагрузки используйте магазин сопротивлений, величину сопротивления установите по указанию преподавателя.

2. При разомкнутом ключе К (без сглаживающего фильтра) подай­те на вход выпрямителя переменное напряжение U₁, с величиной и частотой, указанными преподавателем.

3. Включите осциллограф последовательно в точки A,D; B,D и C,D. Зарисуйте наблюдаемые процессы с соблюдением масштаба.

4. Те же измерения проделайте при замкнутом ключе К (включенном сглаживающим фильтре).

5. Повторите измерения для различных значений сопротивления нагрузки.

6. Постройте нагрузочную характеристику выпрямителя U_Н=f(R_Н);

7. Дайте подробные объяснения полученным результатам.

Контрольные вопросы

1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах диодов.

2.Как работает двухполупериодный мостовой выпрямитель?

4.Какими основными параметрами характеризуются выпрямители?

Лабораторная работа № 6

RC-генератор синусоидальных колебаний

Цель работы: изучение принципа действия RС-генератора синусоидальных колебаний.

Краткие теоретические сведения. Для получения гармонических колебаний от долей герц до сотен килогерц применяют генераторы, где в качестве звеньев обратной связи (ОС) используются RС-четырехполюсники. В соответствии со структурной схемой (рис.6.1) RС-генератор состоит из усилителя зву­ковой частоты с комплексным коэффициентом усиления К и RС- четырехполюсника положительной обратной связи с комплексным коэффициентом передачи B.Схема усили­теля, как и схема цепи ОС, может быть любой, но неиз­менным остается общее требование, выполнение кото­рого позволяет получить синусоидальный выходной сиг­нал. Генерация должна возникать и поддерживаться на одной-единственной частоте, для которой выполняются условия самовозбуждения К В = 1 (условие баланса амп­литуд) и (_К + _В= 0;2 (условие баланса фаз), где К и В –модули коэффициентов передачи, _К и _В – аргументы.

Рис.6.1. Структурная схема генератора

Особенно широко распространены RС-генераторы с фильтром Вина (рис. 6.2а). Определим сопротивления участков фильтра в комплексной форме

, .

С₂