Полупроводниковые выпрямители Исследование полупроводниковых диодов, стабилизатора, биполярных транзисторов, Электронный усилитель на транзисторах Сглаживающие фильтры Исследование стабилитронов, варикапов

Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Исследование полупроводниковых выпрямителей и сглаживающих фильтров

В лабораторной работе изложена теория и исследуются схемы полупериодного и двухполупериодного выпрямления однофазного переменного тока и двухполупериодного выпрямления трехфазного переменного тока без фильтра и с набором различных сглаживающих фильтров. По результатам экспериментов рассчитываются коэффициенты пульсаций, сглаживания и снимаются внешние характеристики различных выпрямителей.

1. Цель работы

Изучить наиболее распространенные электрические схемы выпрямителей и сглаживающих фильтров однофазного и трехфазного переменного тока и экспериментально определить их основные характеристики.

2. Основные теоретические положения

2.1. Назначение и структурные схемы выпрямительных устройств

Выпрямителем принято называть устройство для преобразования переменного тока в постоянный, например, при помощи диодов. Выпрямители являются составной частью источников питания практически всех электронных устройств автоматики, радиотехники и связи. Большую роль играют выпрямители также и в технике сильных токов, где с их помощью осуществляется питание мощных промышленных установок постоянным напряжением (двигатели постоянного тока, контактные сети электрифицированного транспорта, сварочные устройства и т.д.).

В общем случае структурная схема неуправляемого выпрямительного устройства (рис.1) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.

Рис.1. Структурная схема выпрямительного устройства

Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети С до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П нагрузки при изменении напряжения сети. Отдельные узлы (блоки) выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы.

2.2. Полупроводниковые диоды

Основные элементы неуправляемого выпрямителя - полупроводниковые диоды (рис. 2а) - двухэлектродные приборы, электрическое сопротивление которых зависит от полярности напряжения, приложенного к их переходу. Сопротивление диода весьма мало, если к его аноду (р - область) приложено напряжение положительной полярности. В этом случае диод открывается и пропускает значительный прямой ток. Если же к диоду приложить напряжение обратной полярности, то его сопротивление резко возрастает и ток через диод практически не идет.

Независимо от вида диода, его основные параметры следующие:

- средний ток при прямом включении диода Iпр. ср.;

- максимальное значение обратного напряжения Uo6p. макс.;

- величина внутреннего падения напряжения ∆Uпp, обусловленного прямым током.

Электрический диод тем совершенней, чем выше значения величин Uo6p. , Iпр. и чем меньше величина ∆Uпр.

Предельными эксплуатационными параметрами, характеризующими предельный режим использования диода, являются Uo6p. и Iпр., по которым и выбираются диоды. В таблице 1 даны технические данные наиболее применяемых диодов.

 Таблица 1

Тип диода

Iдоп, А (прямой ток)

Uобр, В

Тип диода

Iдоп, А (прямой ток)

Uобр, В

Д209

0,1

400

Д218

0,1

1000

Д214А

10,0

100

Д242

5,0

100

Д7Г

0,3

200

Д232

10,0

400

Д224

5,0

50

КД202А

3,0

50

Д226

0,3

400

КД202Н

1,0

500

2.3. Схемы выпрямления

Полупроводниковые диоды могут использоваться в различных схемах выпрямления. Существуют однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного однофазного или трехфазного напряжения. В настоящей работе используются однополупериодный и мостовой двухполупериод-ный выпрямители. Простейшей схемой является схема однополупериодного выпрямления переменного однофазного напряжения (рис. 2б).

Рис. 2. Полупроводниковый диод (а); электрическая схема (б) и временная диаграмма токов и напряжений (в) однополупериодного выпрямителя

В этом выпрямителе диод (вентиль) включен последовательно с нагрузочным резистором RH и вторичной обмоткой трансформатора Тр, Первичная обмотка трансформатора питается от сети.

Из временных диаграмм (рис. 2в) видно, что ток нагрузки iH имеет пульсирующий характер. В течение первого полупериода напряжения U2, когда потенциал точки a (φа), положительный по отношению к потенциалу точки b (φb), то есть φa > φb, диод открыт и в нагрузочном резисторе RH протекает ток IH. Во второй полупериод полярность напряжения U2 изменяется на противоположную, то есть φa < φb. При такой полярности диод закрывается, ток iH=0 и

к закрытому  диоду будет приложено максимальное напряжение

Заметим, что при изменении полярности включения диодов полярность выпрямленного напряжения на нагрузке изменится: выпрямленное напряжение станет отрицательным.

Более эффективна схема двухполупериодного выпрямления (мостовая) (рис. 3), так как среднее значение выпрямленного напряжения здесь вдвое больше, чем в схеме однополупериодного выпрямления.

Рис. 3. Электрическая схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б) мостового двухполупериодного выпрямителя.

Четыре диода Д1-Д4 соединены по мостовой схеме. В один из полупериодов напряжения сети, когда зажим а вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к зажиму b (φa > φb), диоды Д1 и Д3 открыты, а диоды Д2 и Д4 закрыты (рис. За). Ток в этот полупериод имеет направление: зажим а, диод Д1, резистор Rh, диод Д3 и зажим b. В другой полупериод (φa < φb) диоды Д1 и Д3 закрыты, а диоды Д2 и Д4 открыты. Ток

протекает от зажима b через Д4, резистор Rh, диод Д2 к зажиму а. При этом через нагрузочное сопротивление Rh протекает ток одного направления, то есть постоянный ток.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления (рис. 4а) совмещаются принципы однофазной схемы выпрямителя и многофазного выпрямителя.

Рис. 4. Электрическая схема (а) и временные диаграммы напряжений (б) трехфазного мостового выпрямителя

Выпрямитель подключается к трехфазному источнику переменного тока с напряжением ua, ub, uc (рис. 4б). Половина диодов выпрямителя (Д1, Д3, Д5) образуют группу, в которой соединены все катодные выводы, а у второй половины диодов (Д2, Д4, Д6) соединены все анодные выводы. Пульсации выпрямленного напряжения незначительные, а частота их равна удвоенному числу фаз выпрямителя, то есть при трехфазном питании - шести пульсациям за период (рис. 4б). Заметим, что максимальное значение выпрямленного напряжения в 1.73 раза больше амплитуды линейного напряжения трехфазного тока, тo ecть

Принципы построения управляемых однофазных и трехфазных выпрямителей такие же, как и неуправляемых выпрямителей, но диоды, то есть неуправляемые вентили, заменяются тиристорами, то есть управляемыми вентилями. Программа включения последних задается соответствующей последовательностью управляющих импульсов напряжения системы управления.

Люксметр Ю116 Предназначен для измерения освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом, источники которого расположены произвольно относительно светоприемника люксметра.

Исследование влияния пространственного заряда на прохождение тока в диоде

Изучение вращения плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея). Ознакомление с теорией эффекта Фарадея; наблюдение вращения плоскости поляризации при прохождении света через вещество, помещенное в магнитное поле.

Правила техники безопасности полностью соответствуют «Инструкции Ф-36 на безопасное выполнение работ в оптической лаборатории общего физического практикума».

Инновационные методы в обучении физики Тестирование-контроль знаний с помощью тестов, которые состоят из условий (вопросов) и вариантов ответов для выбора (используется для входного контроля на практическом занятии № 1 для оценки уровня остаточных знаний студентов пришедших на первый курс).
Исследование полупроводниковых выпрямителей