Общие сведения. По выполнению лабораторных работ

Инструкции

По выполнению лабораторных работ

Учебная дисциплина «Электронная техника»

специализация 2-36 01 56-51 01 Мехатроник5-го разряда

по профессии (машиностроение)

рабочего

Минск 2014

Обсуждено и одобрено на заседании цикловой комиссии эксплуатации оборудования машиностроения

Протокол от 29.12.2014 № 5

Синица П.В.

Выполнение лабораторных работы предусматривает закрепление теоретических знаний по таким важным темам как «дифференциальные и операционные усилители», «однофазные выпрямители», «генераторы линейного напряжения» и другие.

При выполнении работ формируются навыки по расчету усилителей, выпрямителей, генераторов, аналого-цифровых преобразователей.

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа №1 Исследование схем однофазных неуправляемых выпрямителей..............................................................................................4

Лабораторная работа №2 Исследование дифференциального усилителя.........................................................................................................................15

Лабораторная работа №3 Исследование усилителя на составном транзисторе....................................................................................................................19

Лабораторная работа №4 Исследование характеристик операционного усилителя............................................................................................................28

Лабораторная работа №5 Исследование генератора линейно изменяющегося напряжения................................................................................................34

Лабораторная работа №6 Исследование схемы аналого-цифрового преобразователя………………………………………………………………….39

Лабораторная работа №7 Исследование схемы цифро-аналогового преобразователя…………………………………………………………..………44

Список использованных источников…………………………………...……48

Тема учебной дисциплины: «Однофазные электронные выпрямители»

Лабораторная работа №1

Тема работы: «Исследование схем однофазных неуправляемых выпрямителей»

1 Цель работы:

изучить основные схемы выпрямительных элементов.

Задание

Изучите основные схемы выпрямителей, произвести расчёт выпрямительного элемента.

Оснащение

- компьютер;

- калькулятор;

- чертежные принадлежности (линейка, карандаш, стирка).

Общие сведения

4.1 Основные параметры выпрямителей

Выпрямитель (электрического тока) — механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток. Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

1 Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой;

2 Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее;

3 Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения. Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

1 По схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др;

2 По типу выпрямительного элемента – ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др;

3 По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого;

4 По назначению – для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основными характеристиками выпрямителей являются:

1 Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств;

2 Номинальный выпрямленный токI₀ – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем;

3 Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %;

4 Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя;

5 Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз;

6 Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки;

7 Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев;

8 Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя – изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

4.2 Основные схемы выпрямителей

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой, двухполупериодной мостовой, и схема удвоения (умножения) напряжения. Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: однополупериодная многофазная и двухполупериодная мостовая. Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей. Сравнение схем выпрямления и ориентировочный расчет выпрямителя можно сделать, используя данные из таблицы 1.1.

Таблица 1.1 Сравнительная характеристика основных параметров схем выпрямителей

Тип схемы	Uобр	Iмакс	I2	U2	C0 *	P0 %	Uco
Однополупериодная	3 U0	7 I0	2 I0	0,75 U0			1,2 U0
Двухполупериодная	3 U0	3,5 I0	I0	0,75 U0			1,2 U0
Мостовая	1,5 U0	3,5 I0	1,41 I0	0,75 U0			1,2 U0
Удвоения напряжения	1,5 U0	7 I0	2,81 I0	0,38 U0			0,6 U0

* Значение емкости конденсатора рассчитано для P0 % = 10 %

Задавшись значением напряжения на выходе выпрямителя U₀ и значением номинального тока в нагрузке (среднего значения выпрямленного тока) I₀, можно без труда определить напряжение вторичной обмотки трансформатора, ток во вторичной обмотке, максимально допустимый ток вентилей, обратное напряжение на вентилях, а также рабочее напряжение конденсатора фильтра. Задавшись необходимым коэффициентом пульсаций, можно рассчитать значение емкости на выходе выпрямителя. Рассмотрим перечисленные схемы выпрямителей более подробно.

4.2.1 Однополупериодный выпрямитель

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема и осциллограммы напряжения схемы однополупериодного выпрямителя

где U₂–напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

U_н – напряжение на нагрузке;

U_н0 – напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Как видно на осциллограммах, напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются:

1 Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения;

2 Низкий КПД;

3 Значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора;

4 Нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.

4.2.2 Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема и осциллограммы напряжения схемы двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора (или одну со средней точкой). Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль. Преимуществами данной схемы являются:

1 Имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления;

2 Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

К недостаткам данной схемы можно отнести более сложную конструкцию трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

4.2.3 Мостовая схема выпрямителя

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 1.3

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема и осциллограммы напряжения мостовой схемы выпрямителя

Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения. При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка - нижний вывод нагрузки - вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка. При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки - нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.

Преимуществами данной схемы являются:

1 Уменьшение в 2 раза уровня пульсаций;

2 Более высокий КПД;

3 Более рациональное использование трансформатора;

4 Уменьшение расчетной мощности трансформатора;

5 Более простая конструкция трансформатора при таком же уровне пульсаций;

6 Обратное напряжение вентилей значительно ниже, чем в первых двух схемах.

К недостаткам можно отнести увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления (рисунок 1.4):

Рисунок 1.4 - Основные варианты мостовой схемы выпрямителя

На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное – с двухполупериодной. На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.

4.2.4 Схема удвоения напряжения

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 1.5

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема и осциллограммы напряжения схемы удвоения напряжения

Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки– другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем. Преимущества: вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение. Недостатки: значительные токи через вентили выпрямителя, уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двухполупериодных выпрямителей.

4.3 Области применения выпрямителей

Основной областью применения выпрямителей являются устройства, которым необходимо выпрямление постоянного тока (выделение постоянной составляющей) из переменного. Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили. Сюда относятся выпрямительные установки для:

1 Железнодорожной тяги;

2 Городского электротранспорта;

3 Электролиза (производство алюминия, хлора и др.);

4 Питания приводов прокатных станов;

5 Возбуждения генераторов электростанций.

В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом. Выпрямители широко применяются в таких отраслях, как:

1 Блоки питания аппаратуры. Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения. Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в т.ч. так называемые адаптеры (англ. AC-DC adaptor));

2 Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры транспортных средств;

3 Выпрямители электросиловых установок;

4 Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровых станков. Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют бо́льшую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения, и имеют требуемую тяговую характеристику (большой крутящий момент при низкой частоте вращения ротора). Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач;

5 Приводы бурильных станков буровых вышек;

6 Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники. Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электромеханические или полупроводниковые выпрямители;

7 Сварочные аппараты. В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой;

8 Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения;

9 Питание главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники. Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств;

10 Питание гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики;

11 Установки электростатической очистки промышленных газов;

12 Электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз, метро);

13 Несинхронная связь энергосистем переменного тока;

14 Дальняя передача электроэнергии постоянным током.

Поиск по сайту: