Двухполупериодный мостовой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром

Лабораторная работа

«Выпрямление переменного тока».

Цель работы:

Сборка и экспериментальное изучение работы диодного моста и сглаживающего емкостного фильтра.

Теоретические основы.

Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке:

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в которомположительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD).

При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диодоткрывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диодзакрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока.

Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным.

Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости.

Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим.
В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

 

Диодный мост.

Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода.

На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста.
Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения.

Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение поступает на вход диодного моста. Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки возникает положительный полупериод напряжения, ток идет через диод VD3, нагрузку Rн, диод VD2 и к нижнему выводу вторичной обмотки (см. график а). Диоды VD1 и VD4в этот момент закрыты и через них ток не идет.

В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем(по схеме) выводе вторичной обмотки, ток идет через диод VD4, нагрузку Rн, диодVD1 и к верхнему выводу вторичной обмотки (см. график б). В этот момент диодыVD2 и VD3 закрыты и ток через себя не пропускают.

В результате мы видим, что меняются знаки напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (см. график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными.

И в заключении отметим, что работа двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однопериодным получается намного эффективней:

1. Удвоилась частота пульсаций выпрямленного тока;
2. Уменьшились провалы между импульсами, что облегчило задачу сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя;
3. Среднее значение напряжения постоянного тока примерно равно переменному напряжению, действующему во вторичной обмотке трансформатора.

А если такой выпрямитель дополнить фильтрующим электролитическим конденсатором, то им уже смело можно запитывать радиолюбительскую конструкцию.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром

Рассмотрим двухполупериодный мостовой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром рис.5.

Рис.5 Схема мостового выпрямителя с емкостным фильтром

Рис. 6 Временные диаграммы мостового выпрямителя с емкостным фильтром.

Из анализа временных диаграмм (рис. 4, рис.6) 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 Iн.
Постоянная времени разрядки конденсатора: τразр = С•Rн.

Оборудование:

- источник переменного тока G

- металлический лист для крепления элементов электрической цепи с помощью магнитных

держателей

- 4 диода

- резистор сопротивлением 20 кОм

- конденсатор емкостью 4700 мкФ

- конденсатор емкостью 1 мкФ

- плата для установки конденсаторов

- ключ электрический

- осциллографический датчик напряжения

Порядок выполнения работы:

1.Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.1.Ключ оставьте в разомкнутом состоянии.

2. Подключите щупы канала№1(красный) осциллографического датчика к точкам C и D схемы,

щупы канала №2(синий) к точкам A и B; соедините датчик с компьютером с помощью USB-кабеля.

Запустите программу «Цифровая лаборатория» и после загрузки программы и опознавания

датчика выберите в списке работ сценарий 3.5. «Изучение свойств полупроводникового диода».

 

3.Замкните ключ, запустите измерения и понаблюдайте форму кривой зависимости напряжения

на источнике тока(синий график)и на нагрузке(красный график).В случае получения нечитаемой

осциллограммы измените настройки датчика. Остановив измерения перенесите полученные

осциллограммы в отчет.

4.Сравните частоты входного и выходного напряжений.

5. Разомкните ключ и включите в цепь конденсатор емкостью 4700 мкФ, как показано в схеме,

изображенной на рис.2. Замкните ключ, запустите измерения и понаблюдайте форму кривой зависимости напряжения на источнике тока(синий график)и на нагрузке(красный график).

Остановив измерения перенесите полученные осциллограммы в отчет.

6. Разомкните ключ и замените конденсатор емкостью 4700 мкФ на конденсатор емкостью 1 мкФ,

который предварительно установите на специальной плате. Замкните ключ, запустите

измерения и понаблюдайте форму кривой зависимости напряжения на нагрузке (красный

график). Остановите измерения и перенесите полученные осциллограммы в отчет.

7. Объясните различие красных осциллограмм в п.п.5. и 6.

 

В данной работе в качестве источника переменного тока можно использовать звуковую

карту компьютера, в которой под управлением программы «Генератор» происходит создание сигналов определенной формы.

При этом при сборке электрической цепи (п.1.) в качестве источника тока берется плата, имеющая возможность подключения к аудио выходу компьютера, куда традиционно подключаются наушники. Клемма «+» на плате соответствует «земле» звуковой карты.

После включения сценария 3.5.запустите программу «Генератор», нажав кнопку

верхнего меню. В настройках обоих каналов генерации установите форму сигнала «синус»

с частотой 50 Гц, амплитуду 100% (см. рисунок) и запустите генерацию, нажав кнопку

«Проиграть».

 

ВНИМАНИЕ! При завершении работы не забудьте перед отсоединением кабеля

источника тока от аудио выхода открыть окно «Генератора» и выключить подачу сигнала на аудио выход. В противном случае придется вам и вашим соседям в течение некоторого времени слушать неприятный звук, льющийся с встроенных динамиков компьютера!