Используемые элементы и приборы

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Кафедра электротехники и микропроцессорной электроники

Электроника в программной среде MULTISIM

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ТОКА

Цель работы

1. Изучение устройства и принципа работы неуправляемых
выпрямителей однофазных однополупериодных и двухполупериодных схем выпрямления тока.

2. Изучение работы сглаживающих фильтров типа "L", "С" и "LC". Получение практических навыков расчета коэффициентов пульсации
и коэффициентов сглаживания фильтров.

3. Построение вольтамперных характеристик выпрямителей.

Теоретическое введение

Выпрямительные устройства являются преобразователями переменного тока в постоянный ток и входят составной частью в большинство источников вторичного электропитания.

Виды выпрямителей:

- однофазные;

- трехфазные;

- многофазные.

Мощные выпрямители, мощностью более 1 кВт, как правило, выполняются по трехфазной и многофазной схеме и применяются для электродвигателей постоянного тока, для питания дуговых печей постоянного тока, для электролизных печей при производстве алюминия, для электрофильтров и др.

Однофазные маломощные выпрямители, устройства мощностью менее 1 кВт, применяются практически во всех источниках питания, электронных систем измерения, анализа, контроля и управления, микромашин постоянного тока, систем автоматического регулирования и т. п.

Выпрямители, как правило, работают со сглаживающими фильтрами.

Типы фильтров:

- емкостные (типа «С»);

- индуктивные (типа «L»)

- комбинированные «LC» фильтры. 

Применение различных типов фильтров:

Емкостные фильтры применяются в маломощных источниках питания, предназначенных для измерения, анализа, контроля и управления при значениях выпрямленного тока менее 1 А (I_н ≤ 1 А).

 Индуктивные фильтры используются в мощных источниках питания электродвигателей постоянного тока, дуговых печей, сварочных аппаратах и т. п., в которых значения выпрямленного тока более 1 А (I_н ≥ 1 А), так как они более эффективны именно в режиме больших токов.

В комплекс выпрямительного устройства (источника вторичного электропитания – ИВЭ), изображенного на рис. 1.1, входят следующие элементы:

Тр - трансформатор, для согласования требуемых напряжений.

В - диоды или вентили, непосредственно преобразующие пе­ременный ток в постоянный, за счет пропускания тока только в одном направлении.

Ф- фильтры, уменьшающие амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения, но не влияющие на его частоту.

К выходу фильтра подключается нагрузка R_н.

Рис. 1.1

Структурная схема источника вторичного электропитания.

Как источник постоянного тока, выпрямитель характеризует следующие параметры:

U_н - номинальное выпрямленное напряжение;

I_н- номинальный выпрямленный ток;

U_обр.max  - максимальное обратное напряжение, приложенное к диоду в непроводящую часть периода;

Р_тр - расчетная мощность трансформатора;

R_вых-выходное сопротивление на постоянном токе;

q - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения;

U₂ - переменное напряжение на входе выпрямителя.

Основной характеристикой выпрямителя, как источника питания, является его нагрузочная характеристика, которая называется внешней характеристикой выпрямителя.

Эта характеристика представляет собой зависимость выпрямленного напряжения от величины нагрузочного (выпрямленного) тока и записывается как U_н = ƒ (I_н).

По этой характеристике для любого выпрямителя может быть определено его выходное сопротивление при номинальных значениях выпрямленного тока I_н и напряжения U_н по выражению:

.

Фильтр, стоящий между выпрямителем и нагрузкой, уменьшает амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения, передаваемого в нагрузку, т. е. оказывает сглаживающее действие.

Работа фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания S_ф, равным отношению коэффициентов пульсации на входе фильтра q_вх (на выходе выпрямителя) и на выходе фильтра q_вых (на нагрузке):

S_ф = q_вх / q_вых.

Величина коэффициента сглаживания фильтра всегда больше единицы.

Параметры элементов выпрямительного устройства зависят от величины выпрямленного напряжения U_н и тока I_н нагрузки.

Схема соединения диодов выбирается, исходя из требуемой формы и величины выпрямленного тока, напряжения и типа применяемого фильтра.

В работе рассматриваются однофазные выпрямительные схемы с идеальными характеристиками элементов. Идеализация сводится к следующему:

1. Сопротивление диода (вентиля) в проводящем направлении считается равным нулю, а в непроводящем направлении равным бесконечности. При этом потери напряжения в прямом направлении будут равны нулю, и ток в обратном направлении в непроводящую часть периода также будет равен нулю.

2. Также не учитываются потери в фильтре на активном сопротивлении реактивных элементов.

Подобная идеализация в малой степени изменяет количественное соотношение между параметрами выпрямителя, и не изменяет качественной картины происходящих процессов. Зато значительно упрощает эксперимент и понимание происходящих процессов.

В данной работе рассматриваются следующие однофазные схемы:

- однофазная однополупериодная;

- однофазная мостовая (двухполупериодная).

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку, приведена на рис. 1.2. Схема работает следующим образом. Во время положительного полупериода переменного напряжения U_вх, к аноду диода D приложено положительное напряжение, и диод пропускает ток в нагрузку R_н.

Ток будет протекать в течение всего положительного полупериода питающего напряжения U_вх. При смене полярности напряжение U_вх, диод не будет пропускать тока и к нему будет приложено обратное напряжение, максимальное значение которого .

Работу выпрямителя рассматривают с помощью временных диаграмм. Временные диаграммы для рассматриваемой схемы приведены на рис. 1.3.

Используемые элементы и приборы

Таблица 2.1

Список компонентов		Изображение в схеме электрической цепи
Источник синусоидального напряжения	Place АC Voltage Source
Диод	Place Virtual Diode
Диодный мост	Virtual Diode bridge
Резистор	Place Virtual Resistor
Батарея конденсаторов	Place Virtual Capacitor
Катушка индуктивности	Place Virtual Inductor
Ключ	Switch
Амперметр	Place Ammeter
Вольтметр	Place Voltmeter
Осциллограф	Oscilloscope
«Земля»	Place Ground

Порядок выполнения работы

Задание 1

Изучить краткую инструкцию работы с программной средой
Multisim 10 для сбора однофазных схем выпрямления тока со
сглаживающими фильтрами.

Задание 2

1. Запустить программу Multisim 10– щелкните мышью на
пиктограмме, которая находится на рабочем столе.

2.
Собрать на рабочем поле среды Multisim 10схему
бестрансформаторного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Схема собирается из элементов, содержащихся в библиотеке
элементов и приборов. Для переноса их на рабочее поле, необходимо
установить курсор на выбранном элементе и щелкнуть левой кнопкой
мыши, затем на рабочем поле.

3.Открыть библиотеки и «перетащить» на рабочее поле:

· из библиотеки источников энергии Source - источник ЭДС
синусоидального напряжения V1 и «землю»;

· из библиотеки базовых компонентов Basic: - резистор R1 и
батарею конденсаторов С1;

· из библиотеки Diod – диод D1;

· из библиотеки измерительных приборов Measurement - два
амперметра (горизонтальных) и три вольтметра (вертикальных);

· из библиотеки Instruments – осциллограф XSC1;

· из библиотеки Basic инструментальной панели компонентов -
ключ J1 (рис. 2.2);

Рис. 2.2

4. Соединить между собой все элементы и приборы, находящиеся на рабочем поле.

Задание 3

1.  После двойного щелчка мышью на изображении элемента
в открывающихся диалоговых окнах обозначить (щелкая на закладках
Label и Value) источник синусоидального напряжения, резистор,
амперметры и вольтметры (см. рис. 2.1).

2. Подготовить схему к проведению исследований. С этой целью
установить:

· действующее значение ЭДС источника напряжения: Е = (5 + N), В
(N - согласно номеру варианта в учебном журнале группы или номеру компьютера),  частоту ЭДС f = 50 Гц, начальный угол сдвига фазы
y = 0;

· значение резистора: R_d = 100 Ом;

· емкость батареи конденсаторов: C = 100 мкФ;

· режим АC работы вольтметра V1, V2иамперметраА1;
режим DC работы вольтметра Vd и амперметраАd; и внутренние
сопротивления измерительных приборов оставить установленными
по умолчанию;

· различные цвета проводов подходящих к каналу A  и В
осциллографа – нажав правой кнопкой мыши на проводе;

· чувствительность 50 В/дел (50 V/div) канала А осциллографа;
чувствительность 100 В/дел (100 V/div) канала В(см. рис. 2.3);
длительность развертки (Time base) в режиме Y/T – 5 мс/дел (5 ms/div).

Задание 4

Снять внешнюю характеристику однополупериодного
выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку.

Измерение 1

· После проверки собранной схемы запустить моделирование ее
работы (щелкнуть мышью на кнопке запуска моделирования ).

· Открыть лицевую панель осциллографа.

· Зарисовать с экрана осциллографа форму напряжений.

· Установить визирную линию на экране осциллографа приближенно
на максимальное значение исследуемого сигнала (рис. 2.3).

Рис. 2.3

· Измерить амплитуду выпрямленного напряжения U_mв. Полученное значение и показания всех приборовзанести в табл. 2.2.

·

· Остановить моделирование после снятия показаний,
нажав кнопку .

Таблица 2.2

Внешняя характеристика однополупериодноговыпрямителя

Измерение 2 ¸ 4

· Запустить моделирование работы схемы.

· Изменяя сопротивление нагрузки R_dот70до 10 Ом
при неизменном напряжении сети измерить амплитуду
выпрямленного напряжения U_mв.

· Полученные значения и показания всех приборовзаписать
в табл. 2.2.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Задание 5

Снять внешнюю характеристику однополупериодного
выпрямителя при работе на активно-емкостную нагрузку
(сглаживающий фильтр типа «С»).

Измерение 1

· Замкнутьключ A - подключить емкость С1, как показано на рис. 2.4.

2.

Рис. 2.4

· После проверки собранной схемы запустить моделирование ее
работы.

· Установить на экране осциллографа:

-чувствительность 100 В/дел (100 V/div) канала А;

-визирную линию «2» приближенно на максимальное значение
исследуемого сигнала, а линию «1» - на минимальное значение
сигнала (рис. 2.5).

Рис. 2.5

· Зарисовать с экрана осциллографа форму напряжений.

· Измерить амплитуду выпрямленного напряжения U_mв и полученное значение и показания всех приборовзаписатьв табл. 2.3.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Таблица 2.3

Внешняя характеристика однополупериодноговыпрямителя

Измерение 2 ¸ 4

· Запустить моделирование.

· Изменяя сопротивление нагрузки R_dот70до 10 Ом
при неизменном напряжении сети измерить амплитуду
выпрямленного напряжения U_mв.

· Полученные значения и показания всех приборовзаписать
в табл. 2.3.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Задание 6

Рис. 2.6

Для этого:

1. Удалить диод D1,вольтметрV1и амперметрА1из предыдущей схемы.

2. Разомкнутьключ A- отключить емкость С1.

3. «Перетащить» на рабочее поле:

· из библиотеки Diodes инструментальной панели компонентов  
диодный мост 1В4В42;

· из библиотеки базовых компонентов Basic: - катушку
индуктивности L1;

· из библиотеки Basic инструментальной панели компонентов -
ключ J2.

4. Установитьиндуктивность катушкиL = 1 Гн.

5. Обозначить ключ J2(закладка Value) буквой В.

6. Установить значение резистора: R_d = 100 Ом.

7. Замкнутьключ В – отключить катушку индуктивности L1.

8. Соединить между собой все элементы и приборы, находящиеся на рабочем поле.

Задание 7

Снять внешнюю характеристику однофазного мостового
выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку.

Измерение 1

· После проверки собранной схемы запустить моделирование ее
работы, нажав кнопку .

· Открыть лицевую панель осциллографа.

· Установить на экране осциллографа:

-  чувствительность 50 В/дел (50 V/div) канала А;

-визирную линию на экране осциллографа приближенно на
максимальное значение исследуемого сигнала.

·  Зарисовать с экрана осциллографа форму напряжений (рис. 2.7).

· Измерить амплитуду выпрямленного напряжения U_mв. Полученное значение и показания всех приборовзаписать в табл. 2.4.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Рис. 2.7

Таблица 2.4

Внешняя характеристика двухполупериодного выпрямителя

Измерение 2 ¸ 5

· Запустить моделирование.

· Изменяя сопротивление нагрузки R_dот70до 10 Ом
при неизменном напряжении сети измерить амплитуду
выпрямленного напряжения U_mв.

· Полученные значения и показания всех приборовзаписать
в табл. 2.4.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Задание 8

Снять внешнюю характеристику однофазного мостового
выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку
(сглаживающий фильтр типа «L»).

Рис. 2.8

Измерение 1

· Разомкнутьключ В - подключить катушку индуктивности L1
(рис. 2.8).

· Установить значение резистора: R_d = 100 Ом.

· Удалить провода соединяющие канал А осциллографа со схемой.

· После проверки собранной схемы запустить моделирование ее
работы.

· Открыть лицевую панель осциллографа. Зарисовать с экрана осциллографа форму напряжений.

· Установить на экране осциллографавизирную линию «2»
приближенно на максимальное значение исследуемого сигнала,
а линию «1» - на минимальное значение сигнала (рис. 2.9).

Рис. 2.9

· Измерить амплитуду выпрямленного напряжения U_mв. Полученное значение и показания всех приборовзаписать в табл. 2.5.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Таблица 2.5

Внешняя характеристика двухполупериодного выпрямителя

Измерение 2 ¸ 4

· Запустить моделирование.

· Изменяя сопротивление нагрузки R_dот70до 10 Ом
при неизменном напряжении сети измерить амплитуду
выпрямленного напряжения U_mв.

· Полученные значения и показания всех приборовзаписать
в табл. 2.5.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Задание 9

Снять внешнюю характеристику однофазного мостового
выпрямителя при работе на активно-емкостную нагрузку
(сглаживающий фильтр типа «С»).

Измерение 1

·   Замкнуть ключ В -  отключить катушку индуктивности L1.

·   Замкнуть ключ А - подключить батарею конденсаторов С1
(рис.2.10).

· Установить значение резистора: R_d = 100 Ом.

Рис. 2.10

· После проверки собранной схемы запустить моделирование ее
работы.

· Открыть лицевую панель осциллографа.

· Зарисовать с экрана осциллографа форму напряжений.

·

Рис. 2.11

· Измерить амплитуду выпрямленного напряжения U_mв. Полученное значение и показания всех приборовзаписать в табл. 2.6.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Таблица 2.6

Внешняя характеристика двухполупериодного выпрямителя

Измерение 2 ¸ 4

· Запустить моделирование.

· Изменяя сопротивление нагрузки R_dот70до 10 Ом
при неизменном напряжении сети измерить амплитуду
выпрямленного напряжения U_{m в}.

· Полученные значения и показания всех приборовзаписать
в табл. 2.6.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Задание 10

Снять внешнюю характеристику однофазного мостового
выпрямителя при работе на активно-индуктивно-емкостную нагрузку
(сглаживающий фильтр типа «LС»).

Измерение 1

· Разомкнутьключ В - подключить катушку индуктивности L1
(рис. 2.12).

·

· Установить значение резистора: R_d = 100 Ом.

Рис. 2.12

· После проверки собранной схемы запустить моделирование ее
работы.

· Открыть лицевую панель осциллографа.

· Зарисовать с экрана осциллографа форму напряжений.

· Установить на экране осциллографа:

-чувствительность 50 В/дел (50 V/div) канала В;

Рис. 2.13

· Измерить амплитуду выпрямленного напряжения U_mв. Полученное значение и показания всех приборовзаписать в табл. 2.7.

· Остановить моделирование после снятия показаний.

Таблица 2.7

Внешняя характеристика двухполупериодного выпрямителя

Измерение 2 ¸ 4

· Запустить моделирование.

· Изменяя сопротивление нагрузки R_dот70до 10 Ом
при неизменном напряжении сети измерить амплитуду
выпрямленного напряжения U_mв.

· Полученные значения и показания всех приборовзаписать
в табл. 2.7.

· Остановить моделирование после снятия показаний.