Лабораторная работа "Выпрямление" по основной образовательной программе подготовки бакалавров направление подготовки

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НИ ТГУ)
Радиофизический факультет
Кафедра Радиоэлектронные системы и комплексы


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА


"Выпрямление"
по основной образовательной программе подготовки бакалавров
направление подготовки 11.05.01 – Радиоэлектронные
системы и комплексы
Вариант 8
Выполнил: студенты группы № 071809
Булыгин Данила Михайлович
подпись____________

Томск – 2021

Цель работы: Изучить основные способы выпрямления переменного напряжения, приемы сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Рассмотреть процесс получения постоянного напряжения при временном и спектральном описании сигнала. Ознакомиться с принципами умножения выпрямленного напряжения.

Ход Работы:

1. 
   Исследование однополупериодного выпрямителя
   

U₀ – постоянная составляющая, U_п – переменная составляющая,
P – коэффициент пульсаций, S –коэффициент сглаживания.

R_н = 3,9кОм, f₁=170Гц

	Без фильтра	RC-фильтр
		С =0,15мкФ	С =150мкФ
U0, В	–	2,2	5,5
Uп, В	8,2	8,2	5,6
P	1.57	3,73	1,02
S	–	0,42	1,54
Эпюры

R_н = 3,9кОм, f₁=1070Гц

	Без фильтра	RC-фильтр
		С =0,15мкФ	С =150мкФ
U0, В	–	4.4	5.5
Uп, В	8,3	7.5	5.5
P	1.57	1,7	1
S	–	0,92	1,57
Эпюры

2. 
   Исследование двухполупериодного выпрямителя
   

U₀ – постоянная составляющая, U_п – переменная составляющая,
P – коэффициент пульсаций, S –коэффициент сглаживания.

R_н = 3,9кОм, f₁=170Гц

	Без фильтра	RC-фильтр
		С =0.15мкФ	С =150мкФ
U0, В	–	4,4	6
Uп, В	7,5	7,6	6
P	0.67	1,73	1
S	–	0,39	0,67
Эпюры

R_н = 3,9кОм, f₁=1070Гц

	Без фильтра	RC-фильтр
		С =0,15мкФ	С =150мкФ
U0, В	–	5,7	6
Uп, В	7,5	7	6
P	0.67	1,23	1
S	–	0,54	0,67
Эпюры

Моделирование в программе Tinkercad:
https://www.tinkercad.com/things/02jep2JryDq

Рис. 1 – Схема однополупериодного выпрямителя


Рис. 2 – Схема однополупериодного выпрямителя с фильтром (емкость 0.15 mF)

Рис. 3 – Схема однополупериодного выпрямителя с фильтром (емкость 0.30 mкF)

Рис. 4 – Схема однополупериодного выпрямителя с фильтром (емкость 1 mкF)

Рис. 5 – Схема однополупериодного выпрямителя с фильтром (емкость 1.5 mкF)

Рис. 6 – Схема однополупериодного выпрямителя с фильтром (емкость 2 mкF)


Заключение: Проведя натурный эксперимент, заметил, как выходной сигнал превращается в пилообразный, так же он был обрезан благодаря диоду. Он обрезал отрицательную часть синусоидального сигнала. Так же увидел, что выходной сигнал был не только обрезан, но и был сглажен благодаря сглаживающему фильтру (конденсатору). Исследовал спектр сигнала, и заметил, что спектр выходного сигнала уменьшился по сравнению с входным.

Контрольные вопросы:
1. Каковы основные свойства полупроводникового диода?
Основные характеристики полупроводникового диода представляются его воль-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока I, протекающего через диод, от напряжения U, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости.

2. В чем отличие идеальной характеристики диода от реальной?
Идеальным диодом называют обычно диод с характеристикой, представляющий резкий излом характеристики, состоящей из двух прямых отрезков, наблюдается при напряжении, равном нулю. С точки зрения эквивалентной схемы такой диод представляется нулевым сопротивлением в прямом направлении и бесконечно большим сопротивлением в обратном направлении. В некоторых применениях, например, при детектировании, почти идеальным считается диод с прямолинейной характеристикой, представленной пунктирной линией. Такой диод при работе в прямом направлении аналогичен постоянному сопротивлению малого значения. В эквивалентной схеме идеального диода отсутствуют паразитные емкости и индуктивность, поэтому работа такого диода не зависит от частоты. Характеристики реальных диодов отличаются от характеристики идеального диода. Они обладают большой нелинейностью и большим изменением сопротивления, особенно в диапазоне малых напряжений в прямом направлении, и не имеют резкого излома характеристики при нулевом напряжении. Кроме того, в эквивалентной схеме реального диода следует учесть емкость между электродами, а для более высоких частот и паразитную индуктивность. В некоторых применениях существенна также инерционность диода в процессе переключения из прямого на обратное направление.
3. Какое назначение имеет выпрямитель?
Основное назначение выпрямителя заключается в преобразовании переменного тока в постоянный (пульсирующий выпрямленный) ток. Выпрямительная установка выполняется на основе диодов. Дополнительной функцией выпрямителя может быть регулирование напряжения на выходе в результате изменения напряжения на входе выпрямительной установки или угла открытого состояния полупроводниковых приборов. Такие выпрямители называются управляемыми.
4. Каково назначение сглаживающих фильтров?
Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора.
5. Когда используются емкостные, а когда индуктивные сглаживающие фильтры?
Емкостной фильтр представляет собой конденсатор С_ф, включенный параллельно нагрузке R_н. Работа фильтра основана на способности конденсатора накапливать заряд. Временные диаграммы напряжений поясняют работу фильтра. Емкостные фильтры целесообразно применять при высокой нагрузке R_н при мощности Р_н не более нескольких десятков ватт.
В индуктивном фильтре катушку индуктивности (дроссель) включают последовательно с нагрузкой R_н . Работа фильтра основана на явлении самоиндукции, которое изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении. Индуктивные фильтры обычно применяют при больших токах нагрузки. Сечение провода катушки зависит от тока нагрузки.
6. Как работают емкостной и индуктивный сглаживающие фильтры?
Емкостный. В течение интервала времени t₁- t₂конденсатор С_ф заряжается через открытые диоды до амплитудного значения напряжения u_вх, т.к. в этом интервале времени u_вх > u_С. В интервале времени t₂- t₃ напряжение u_С > u_вх – конденсатор разряжается через нагрузку R_н с постоянной времени τ = С_фR_н. При этом напряжение u_С = u_н снижается до некоторого наименьшего значения U_С.min. Начиная с момента времени t₃, напряжение на конденсаторе u_С становится меньше входного напряжения u_вх. Конденсатор начинает заряжаться через открытые диоды и процесс повторяется. Как показывают временные диаграммы, при включении емкостного фильтра напряжение u_н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.

В индуктивном фильтре катушку индуктивности (дроссель) включают последовательно с нагрузкой R_н). Работа фильтра основана на явлении самоиндукции, которое изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении.
Схема индуктивного фильтра (а); временные диаграммы напряжений однофазного двухполупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (б).
Условие, при котором обеспечивается сглаживающее действие индуктивного фильтра

Конструктивно дроссель выполняется в виде катушки с ферримагнитным сердечником, что позволяет получить высокое значение индуктивности (до нескольких Гн). Индуктивные фильтры обычно применяют при больших токах нагрузки. Сечение провода катушки зависит от тока нагрузки.
7. Как определяются коэффициенты пульсации и сглаживания?
Коэффициентом пульсации напряжения (тока) называют величину, равную отношению амплитудного значения (максимальной величины) переменной компоненты пульсирующего напряжения (тока) к постоянной составляющей.
Если представить выпрямленное напряжение в виде ряда Фурье, как сумму постоянной составляющей U₀ и некоторого числа n гармоник, имеющих амплитуды U_mn, то коэффициент пульсации напряжения k_n можно определить формулой:
Способность уменьшения пульсаций сглаживающего фильтра оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра: