Для уменьшения пульсации напряжения у потребителя на выходе выпрямителя устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром, основное назначение которого уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, включаемый параллельно приемнику выпрямленного напряжения. При таком включении конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения u 2 в моменты времени, когда напряжение u 2 превышает напряжение на конденсаторе (интервал времени t 1 -t 2 на рис. 6.7). В течение интервала времени t 2 -t 3 , когда напряжение u c u 2 , вентиль закрыт, а конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R н. С момента времени t 3 процесс повторяется. При включении емкостного фильтра напряжение u н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.

Большее уменьшение пульсации напряжения обеспечивают Г-образные фильтры, представляющие собой смешанные LC фильтры (рис. 6.8). Уменьшение пульсации LC фильтром объясняется шунтирующим действием конденсатора С ф для переменной составляющей выпрямленного напряжения и значительным падением этой составляющей напряжения на катушке L ф, которая называется дросселем. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении резко снижается. Наряду с ослаблением переменной составляющей выпрямленного напряжения LC фильтр незначительно уменьшает и постоянную составляющую. Это происходит за счет падения напряжения на активном сопротивлении катушки. Если один Г-образный фильтр не обеспечивает необходимого уменьшения пульсации, последовательно включают несколько фильтров, например, Г-образный и емкостной фильтры, в совокупности дающие так называемый П-образный фильтр. На рис. 6.8 второй конденсатор П-образного фильтра указан пунктиром.

В реальных выпрямителях с ростом тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя U ср уменьшается вследствие падений напряжения в активном сопротивлении обмоток трансформатора I∙R тр и последовательных элементах сглаживающего фильтра I∙R ф, а также падения напряжения на вентилях U пр. =I∙R пр . Нагрузочный ток и напряжение нагрузки U н связаны между собой следующим выражением:

U н =U хх –I∙R тр. –I∙R ф –I∙R пр. , (6.16)

где U хх - напряжение холостого хода выпрямителя. Зависимость U н = f(I) называется внешней характеристикой выпрямителя и определяет границы изменений тока, при которых выпрямленное напряжение не уменьшается ниже допустимой величины.

Рабочее задание

1. Технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, занесите в таблицу 1.1. Форма таблицы приведена на странице 3.

2. Используя один из четырех вентилей, имеющихся на панели блока вентилей, соберите цепь, изображенную на рис. 6.9 и предъявите цепь для проверки преподавателю.

Рис. 6.9. Однополупериодная схема выпрямления

3. Элементы фильтра выпрямителя отключите, для этого тумблеры Т 1 и Т 2 разомкните, а тумблер Т 3 - замкните.

4. Автоматическим выключателем АП включите блок питания; при этом должна загореться сигнальная лампа.

5. Подготовьте осциллограф к работе, для чего:

а) шнур питания соедините с разъемом ’’сеть’’, расположенным на задней стенке осциллографа;

б) шнур питания соедините с клеммами, отмеченными знаком ’’~220’’, расположенным на панели блока питания стенда;

в) тумблером ’’сеть’’ включите осциллограф, при этом на передней панели осциллографа должна загореться сигнальная лампа;

г) через 2-3 минуты отрегулируйте яркость и фокусировку линии развертки на экране осциллографа с помощью ручек «Яркость» и «Фокус».

6. Проведите калибровку коэффициента отклонения луча, для чего:

а) тумблер, отмеченный знаком « », « » поставьте в положение « »;

б) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «20 mV/см»;

в) тумблер, отмеченный знаком « », расположенный на правой стенке осциллографа, поставьте в положение « »;

г) подключите соединительный кабель к гнезду, отмеченному знаком «1мΩ50pF»;

д) подключите штекеры соединительного кабеля к гнездам калибровочного напряжения 1В, расположенным на правой стенке осциллографа и отмеченным знаком «1V» (к штекеру с коротким проводом) и знаком «^» (к штекеру с длинным проводом). При этом на экране появится изображение двух горизонтальных линий;

е) ручкой «Усиление» установите расстояние между линиями, равное 5 см;Внимание: ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОЛОМОК, БОЛЬШИХ УСИЛИЙ К РУЧКЕ «УСИЛЕНИЕ» НЕ ПРИЛАГАТЬ!

ж) отключите штекеры соединительного кабеля от гнезд калибровочного напряжения 1В;

з) тумблер, отмеченный знаком « » поставьте в положение «–»;

и) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «2 V/см»;

ВЕЛИЧИНА ИЗМЕРЯЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ РАВНА 20 N В.

N -АМПЛИТУДА ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ В САНТИМЕТРАХ.

к) штекеры соединительного кабеля подключите к вентилю.

Таблица 6.1

Средние значения выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе и амплитудные значения обратного напряжения на вентилях при работе в однополупериодной и двухполупериодной мостовой схемах

ТИП ВЫПРЯМИТЕЛЯ	U, B	U ср,В	U m. обр. , В (определятся по осциллографу)	U ср / U	U m.обр /U ср
Однополупериодный
Однополупериодный с емкостным фильтром С 1
Однополупериодный с емкостным фильтром С 1 +С 2
Однополупериодный с Г-образным LC фильтром
Однополупериодный с П-образным LC фильтром
Двухполупериодный
Двухполупериодный с емкостным фильтром С 1
Двухполупериодный с емкостным фильтром С 1 +С 2
Двухполупериодный с Г-образным LC фильтром
Двухполупериодный с П-образным LC фильтром

7.Замкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда; при этом на панели блока вентилей должна загореться сигнальная лампа.

8.Тумблеры Т 1 и Т 2 разомкните, а тумблер Т 3 замкните.

9. Вольтметром магнитоэлектрической системы измерьте значение выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе U ср, а осциллографом - амплитудное значение обратного напряжения U m.обр. на вентиле. Показания приборов занесите в первую строку таблицы 6.1.

10. Замкните тумблер Т 1 . Показания приборов занесите во вторую строку таблицы 6.1.

11. Замкните тумблер Т 2 . Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

12. Разомкните тумблеры Т 1 и Т 3 . Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

13. Тумблер Т 1 замкните. Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

14. Штекеры соединительного кабеля переключите на нагрузочный резистор.

Для всех строк таблицы 6.1. зарисуйте или сфотографируйте осциллограммы выпрямленного напряжения.

15. Разомкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда, при этом на панели блока вентилей должна погаснуть сигнальная лампа.

Рис.6.10. Мостовая схема выпрямления

16. Соберите мостовую схему выпрямителя, изображенную на рис.6.10, и предъявите ее для проверки преподавателю.

17. Выполните пункты 6-14.

18. Выключите блок питания стенда.

Обработка результатов

1. Сравните значения U ср /U с теоретическими значениями для соответствующих схем выпрямления. Сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину выпрямленного напряжения.

2. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на величину выпрямленного напряжения.

3. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на величину выпрямленного напряжения.

4. Объясните влияние дросселя на величину выпрямленного напряжения при использовании LC фильтров.

5. На основании анализа осциллограмм сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину пульсации выпрямленного напряжения.

6. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на пульсацию выпрямленного напряжения.

7. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на пульсацию выпрямленного напряжения.

8. Сравните измеренные значения обратного напряжения на вентиле и сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления и типа применяемого фильтра на величину обратного напряжения.

9. Сравните теоретические значения допустимого обратного напряжения, вычисленные по формулам (6.8), (6.14), при работе выпрямителей без фильтров со всеми экспериментальными значениями обратного напряжения и дайте рекомендации по выбору вентилей для работы выпрямителей с фильтрами.

10. Дайте мотивированное заключение о предпочтительности одной из исследованных схем выпрямления перед другими.

Контрольные вопросы

1. Что такое p-n переход?

2. При каком потенциале на p области p-n переход проводит ток?

3. Когда происходит пробой p-n перехода?

4. Почему p-n переход обладает односторонней проводимостью?

5. Зависит ли проводимость p-n перехода от величины приложенного напряжения?

6. Какое включение p-n перехода называется прямым?

7. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении обратного напряжения?

8. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении прямого напряжения?

Нормальная работа всех активных элементов радиоэлектронной аппаратуры - транзисторов, тиристоров и микросхем -рассчитана на питание постоянным напряжением. Но такие источники тока, как батареи сухих элементов и аккумуляторы, недолговечны, расходуют запасенную ими электрическую энергию и поэтому нуждаются в периодической замене или подзаряде. Отсюда химические источники электрической энергии могут считаться приемлемыми исключительно для питания носимой аппаратуры или аппаратуры, эксплуатируемой в условиях отсутствия постоянных источников тока. Питание стационарной профессиональной и бытовой аппаратуры удобнее осуществлять от сети переменного тока, используя для этого преобразователь переменного напряжения в постоянное. Таким преобразователем и является выпрямитель.

Различные транзисторы, микросхемы и другие приборы рассчитаны на питание разными напряжениями, поэтому наличие в электросети именно переменного напряжения оказывается очень удобным, так как при помощи трансформатора на его вторичных обмотках из стандартного напряжения сети 220 В легко можно получить любые другие значения напряжений. Получить же различные напряжения при наличии сети постоянного тока оказалось бы значительно сложнее.

Простейшим выпрямительным устройством является од-нополупериодный выпрямитель, схема которого приведенная на рис. 35. Ее отличительной особенностью является то, что диод пропускает ток только в течение одной половины периода переменного напряжения, когда оно положительно

на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора. Поэтому схема и называется однополупериодной.

Если бы параллельно нагрузке R не был подключен конденсатор С, форма напряжения на нагрузке была бы такой, как показано штриховой линией, и напряжение вместо постоянного на нагрузке было бы пульсирующим. Конденсатор сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. После включения при первом же положительном полупериоде конденсатор быстро заряжается. Ток заряда течет по вторичной обмотке трансформатора через открытый диод, конденсатор и обратно к вторичной обмотке. Сопротивление этой цепи мало и определяется сопротивлением обмотки и открытого диода. Поэтому заряд конденсатора происходит быстро. В точке А напряжение заряженного конденсатора почти равно напряжению на обмотке, а в дальнейшем оказывается больше его, из-за чего диод запирается и заряд конденсатора прекращается.

Теперь начинается разряд конденсатора на нагрузку R. Сопротивление нагрузки значительно больше, чем сопротивление цепи

заряда. Поэтому разряд конденсатора происходит медленно, до точки Б, когда напряжение на обмотке трансформатора вновь становится больше напряжения на конденсаторе, и вновь начинается его заряд. Результирующее напряжение на конденсаторе и нагрузке показано сплошной линией. Оно содержит постоянную составляющую (собственно выпрямленное напряжение) и переменную составляющую, которая называется напряжением пульсаций. Очевидно, что чем меньше сопротивление нагрузки (или чем больше потребляемый нагрузкой от выпрямителя ток), тем больше амплитуда пульсаций и меньше выпрямленное напряжение, так как в таком режиме точка Б будет располагаться ниже. Чем больше емкость конденсатора, тем медленнее он станет разряжаться и тем меньше будет амплитуда пульсаций и больше выпрямленное напряжение. Поэтому в схемах выпрямителей используют электролитические конденсаторы большой емкости.

Наибольшее выпрямленное напряжение определяется амплитудой переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. По этой причине рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее этого значения напряжения.

Выбор диода в этой схеме связан со следующими требованиями. Средний выпрямленный ток диода равен току нагрузки. Прямой импульсный ток диода равен отношению амплитуды напряжения на вторичной обмотке трансформатора к сопротивлению этой обмотки. Наконец, во время отрицательного полупериода к диоду прикладывается обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения на вторичной обмотке.

Недостаток однополупериодной схемы выпрямления очевиден: из-за большого промежутка времени между моментами А и Б, который несколько превышает половину периода, конденсатор успевает заметно разрядиться, что приводит к повышенной амплитуде пульсаций выпрямленного напряжения. Дальнейшее сглаживание этих пульсаций затруднено тем, что частота пульсаций равна частоте сети питающего напряжения 50 Гц. В связи с этим выпрямители, собранные по однополупериодной схеме, используются лишь при больших сопротивлениях нагрузки, то есть при малом токе потребления,

когда постоянная времени разряда конденсатора велика и он не успевает заметно разряжаться за время отрицательных полупериодов напряжения.

Указанные недостатки выражены слабее в двухполупери-одной схеме выпрямления, которая показана на рис. 36. Здесь

используются два диода и вдвое увеличена вторичная обмотка трансформатора, оснащенная средней точкой. В течение одного полупериода конденсатор заряжается через один диод, а второй в это время заперт, в течение второго полупериода второй диод отпирается, а первый заперт. Форма напряжения на нагрузке при отсутствии конденсатора показана штриховой линией, а при наличии конденсатора - сплошной. Время, в течение которого конденсатор разряжается, уменьшено в этой схеме более чем вдвое. По этой причине выпрямленное напряжение получается больше, а амплитуда пульсаций значительно меньше, чем при использовании однополупериодного выпрямителя. Существенно также и то, что частота пульсаций вдвое превышает частоту питающей сети и составляет 100 Гц, что значительно облегчает последующее их сглаживание.

Несмотря на указанные преимущества, двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой обладает и недостатками, к которым относятся услож-нениетрансформатора, а также

невозможность создания двух совершенно одинаковых половин вторичной обмотки. Это приводит к тому, что амплитуды напряжений на половинах вторичной обмотки оказываются разными. В связи с тем, что конденсатор заряжается попеременно от каждой из половин вторичной обмотки, в составе пульсаций выпрямленного напряжения появляется составляющая с частотой 50 Гц, хотя она и меньше, чем при однополу-периодном выпрямлении. Двухполупериодная схема выпрямителей широко использовалась в эпоху ламповой техники, когда применялись двуханодные кенотроны с общим катодом. Их оказывалось удобно применять в такой схеме, где катоды диодов соединены и для обоих диодрв можно использовать одну обмотку накала. У полупроводниковых диодов отсутствует подогреватель и с их внедрением двухполупериодная схема со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, потеряв указанное преимущество, оказалась полностью вытесненной мостовой схемой выпрямления, которая в устаревшей литературе называется схемой Греца.

Мостовая схема выпрямителя показана на рис. 37. Вместо двух диодов она содержит четыре, но зато не нуждается в удвоении вторичной обмотки трансформатора. В течение одной половины периода переменного тока ток проходит от верхнего по схеме вывода вторичной обмотки через диод VD2, нагрузку, через диод VD3 к нижнему выводу вторичной обмотки. В течение следующей половины периода ток проходит от нижнего вывода обмотки через диод VD4, нагрузку, через диод VD1 к верхнему выводу вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение обоих полупериодов в нагрузке протекает ток одного и того же направления и диодами выпрямляется одно и то же переменное напряжение вторичной обмотки. Благодаря этому в составе пульсации составляющая с частотой 50 Гц отсутствует.

Мостовая схема выпрямления также является двухполупе-риодной. Форма напряжения на нагрузке в этой схеме оказывается такой же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой. Рабочее напряжение конденсатора также равняется амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке. Однако требования к диодам в обеих двухполупериодных схемах отличаются от требований в однополупериодной схеме.

Рис. 37. Мостовая схема выпрямления

В связи с тем, что ток нагрузки проходит через диоды поочередно, средний выпрямленный ток каждого диода равен половине тока нагрузки.

Обратные напряжения на диодах мостовой схемы равны не удвоенной, а одинарной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Обратные напряжения на диодах двухполупериодной схемы со средней точкой и значения импульсных токов обеих схем такие же, как и в однополупериодной схеме. Однако ток вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме равен по своему эффективному значению току нагрузки, что вдвое больше, чем в однополупериодной схеме и в схеме со средней точкой. Поэтому сечение провода вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме должно быть в два раза больше, чем в двух других (диаметр провода - в 1,41 раз больше).

Удвоение количества диодов в мостовой схеме с лихвой окупается вдвое уменьшенным количеством витков вторичной обмотки трансформатора и уменьшением пульсаций выпрямленного напряжения. Для упрощения монтажа мостовых схем промышленностью выпускаются готовые сборки из четырех одинаковых диодов в одном корпусе, которые уже соединены между собой по схеме моста. К таким сборкам, например, относятся сборки типа КД906 со средним выпрямленным током до 400 мА и обратным напряжением до 75 В.

Недостатком мостовой схемы является прохождение выпрямленного тока последовательно через два диода. Падение напряжения на открытом кремниевом диоде достигает 1 В, а на двух последовательно включенных диодах падение напряжения при максимальном прямом токе составляет 2 В. Если выпрямитель рассчитан на низкое выпрямленное напряжение,

которое соизмеримо с падением напряжения на диодах, требуется увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Это необходимо учитывать при расчете выпрямителя.

Если необходимо получить выпрямленное напряжение, которое превышает амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, можно использовать однополупериодную схему удвоения выпрямленного напряжения, приведенную на рис. 38. В течение первого полупериода, когда ток вторичной обмотки направлен по схеме сверху вниз, открыт диод VD1 и заряжается конденсатор С1,

Рис. 38. Схема однополупериодного удвоения напряжения

как в схеме однополупериодного выпрямителя. В течение второго полупериода ток вторичной обмотки протекает снизу вверх. Диод VD1 заперт, и отпирается диод VD2. Теперь конденсатор С2 заряжается суммарным напряжением вторичной обмотки трансформатора и напряжением заряженного конденсатора С1, которые соединены согласно. Благодаря этому на конденсаторе С2 образуется удвоенное напряжение. Рабочее напряжение конденсатора С1 равно амплитуде, а рабочее напряжение конденсатора С2 - удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора. Обратные напряжения обоих диодов равны удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Частота пульсаций равна частоте сети - 50 Гц.

Удвоенное напряжение на конденсаторе С2 и низкая частота пульсаций являются недостатком данной схемы. Кроме того, во время заряда конденсатора С2 конденсатор С1 быстро разряжается током заряда конденсатора С2. Во избежание резкого увеличения пульсаций и уменьшения выпрямленного напряжения приходится выбирать емкость С1 значительно больше

емкости С2. Поэтому, если использование этой схемы не диктуется построением остальной схемы блока питания, лучше приме нять другую схему удвоения напряжения, показанную на рис. 39.

Здесь за один полупериод заряжается через диод один конденсатор, а в течение второго полупериода через второй диод заряжается второй конденсатор. Выходное выпрямленное напряжение снимается с обоих конденсаторов, включенных последовательно и согласно. Каждый конденсатор

заряжается по схеме однопо-лупериодного выпрямителя, но суммарное напряжение оказывается двухполупериодным, разряд конденсаторов происходит только через нагрузку, поэтому частота пульсаций вдвое больше частоты питающей сети, а форма выходного напряжения аналогична форме у двухполупериодного выпрямителя. Выходное напряжение почти равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Рабочее напряжение обоих конденсаторов равно амплитуде этого напряжения. Обратное напряжение на каждом диоде равно удвоенной амплитуде. Таким образом, использование этой схемы выгоднее, чем схемы, показанной на рис. 38.

Интересно заметить, что при постоянном значении напряжения на вторичной обмотке трансформатора мостовая схема обеспечивает получение выпрямленного напряжения в два раза большего, а схема удвоения напряжения (см. рис. 39) -в четыре раза большего, чем двухполупериодная схема со средней точкой. Следует упомянуть, что в устаревшей литературе схема удвоения напряжения, приведенная на рис. 39, называется схемой Латура.

Рассмотрим еще две схемы выпрямителей с умножением напряжения. На рис. 40 приведена схема выпрямителя с учетве-рением напряжения, построенная по тому же принципу, что и схема, приведенная на рис. 38. В течение одного полупериода заряжаются конденсаторы С1 напряжением обмотки и СЗ суммой напряжения обмотки и заряженного конденсатора С2 минус напряжение на С1; при этом С2 разряжается.

Конденсатор С1 заряжается до амплитуды, а СЗ - до удвоенной амплитуды напряжения на обмотке. В течение следующего полупериода заряжаются С2 суммарным напряжением на обмотке и на С1, а также С4 суммой напряжений на обмотке, на С1 и на СЗ минус напряжение на С2; при этом С1 и СЗ разряжаются. Оба конденсатора С2 и С4 заряжаются до удвоенной амплитуды напряжения на обмотке. Результирующее напряжение снимается с соединенных последовательно и согласно конденсаторов С2 и С4. Частота пульсаций выпрямленного напряжения в этой схеме составляет, как и в схеме на рис. 38, 50 Гц.

Рис. 40. Схема однополупериодного умножения напряжения

На рис. 41 показана двухполупериодная схема учетверения напряжения, подобная схеме, приведенной на рис. 39. Принцип ее действия читатель может рассмотреть самостоятельно по аналогии с предыдущими схемами. Здесь частота пульсаций составляет 100 Гц, и два конденсатора С1 и СЗ работают при напряжении, равном одинарной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора вместо одного конденсатора С1 в схеме на рис. 40. При одинаковом количестве элементов эта схема выгоднее предыдущей.

Достоинством схемы, изображенной на рис. 40, является возможность умножения напряжения в нечетное число раз. Так, если удалить конденсатор С4 и подключенный к нему диод, а выпрямленное напряжение снимать с конденсаторов С1 и СЗ, получится утроенное напряжение. Схема же, показанная на рис. 41, позволяет получать только выпрямленное напряжение в четное число раз большее напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Рис. 41. Схема двухполупериодного умножения напряжения

Выпрямление с умножением напряжения не ограничивается его учетверением; подключая дополнительные цепочки, состоящие из диода и конденсатора, можно увеличивать коэффициент умножения. Часто требуется получить высокое выпрямленное напряжение, измеряемое киловольтами. Для достижения этой цели имеются два пути: либо намотать высоковольтную вторичную обмотку трансформатора и выпрямить полученное с нее высокое напряжение простым выпрямителем, либо использовать схему умножения. Второй способ целесообразнее. Высоковольтные обмотки трансформаторов имеют низкую надежность, так как необходимо тщательно изолировать их от других обмоток и от сердечника, а также хорошо изолировать слои этой обмотки один от другого. Кроме того, сама намотка высоковольтных обмоток весьма трудоемка: приходится наматывать тысячи витков очень тонким проводом, который при малейшем натяжении легко рвется. Наконец, выпрямитель требует применения высоковольтных конденсаторов и диодов с очень большим допустимым обратным напряжением. Выход находят путем последовательного соединения нескольких конденсаторов и нескольких диодов. Но тогда при том же количестве конденсаторов и диодов целесообразнее собрать выпрямитель с умножением напряжения, одновременно избавившись от необходимости намотки высоковольтной обмотки трансформатора.

Ответы на контрольные вопросы лаба №1

Какие преимущества имеет схема двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодной?

Во-первых, ток проходит через вторичную обмотку транзистора в течении каждого полупериода в разных направлениях.

Во-вторых, частота пульсаций вдвое больше и равна 100 Гц, так как за период напряжения сети ток в нагрузке и напряжение на ней дважды достигают максимума.

В-третьих, его выходное сопротивление вдвое меньше.

В-четвёртых, коэффициент пульсаций меньше и равен 0,67.

В чём преимущество мостовой схемы выпрямителя по сравнению со схемой двухполупериодного выпрямителя?

Диоды могут быть рассчитаны на вдвое меньшее обратное напряжение, так как оно равно амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке.

Начертите схему мостового выпрямителя со сглаживающим фильтром и покажите пути протекания тока.

Сравните свойства сглаживающих LC- и RC-фильтров.

Особенностью LC -фильтров является небольшие потери, позволяющие применить их в устройствах с относительно большим током нагрузки. В маломощных выпрямителях (ток до 10-15 мА) можно применять RC -фильтры. Их недостатком является низкий КПД.

Для чего диоды в выпрямителях могут соединяться последовательно?

Последовательное включение выпрямительных диодов делается тогда, когда необходимо увеличить суммарное допустимое обратное напряжение, прикладываемое к каждому из них.

Почему при последовательном соединении полупроводниковых диодов в выпрямителе их шунтируют резисторами?

Обратные сопротивления выпрямительных диодов имеют большой разброс (различия достигают до одного-двух порядков), поэтому обратное напряжение, приложенное к цепи последовательно соединенных диодов, распределится неравномерно, а пропорционально их обратным сопротивлениям. Наибольшее падение напряжения будет на диоде с большим обратным сопротивлением. Это может привести к электрическому, а затем тепловому пробою р-п перехода этого диода; после этого обратное напряжение распределится между оставшимися диодами. Произойдет пробой следующего диода, у которого обратное сопротивление перехода наибольшее среди оставшихся диодов. И так один за другим диоды выйдут из строя. Чтобы этого не произошло, следует уравнять падения обратных напряжений на диодах последовательной цепочки путем шунтирования их резисторами одинакового сопротивления. Сопротивление шунтирующего резистора подбирается большим, чтобы исключить большие потери мощности на нем

Что такое коэффициент сглаживания фильтра и как зависит его величина от ёмкости конденсаторов фильтра и тока нагрузки.

Важной характеристикой фильтров является коэффициент сглаживания - , где: - коэффициент пульсаций на входе фильтра, - коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

При увеличении тока нагрузки амплитуда пульсаций на выходе емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного - уменьшается. Поэтому емкостной фильтр выгодно применять при малых, а индуктивный при больших токах нагрузки. Увеличение ёмкости конденсатора уменьшает амплитуда пульсации.

С какой частотой пульсирует напряжение на нагрузке в случае однополупериодного выпрямителя, двухполупериодного?

В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсации напряжения на нагрузке равна входной частоте пульсаций (50 Гц), двухполупериодного - в два раза больше (100 Гц).

Какую функцию выполняют конденсаторы C 1 , C 2 и дроссель в сглаживающем фильтре?

Конденсаторы используются для сглаживания пульсаций напряжения, а дроссели, чтобы емкости этих конденсаторов не складывались.

Приведите пример схемы умножения напряжения.

Схемы с удвоением напряжения:

Как влияет ёмкость конденсаторов фильтра и сопротивление нагрузки на амплитуду пульсации?

При увеличении тока нагрузки амплитуда пульсаций на выходе емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного - уменьшается. Увеличение ёмкости конденсатора уменьшает амплитуда пульсации.

Почему при малом токе нагрузки дроссель плохо сглаживает пульсации на выходе выпрямителя?

При возрастании тока нагрузки происходит увеличение энергии, накапливаемой в дросселе, при этом увеличивается ЭДС самоиндукции, что препятствует прохождению в нагрузку переменной составляющей тока. При этом улучшаются сглаживающие свойства фильтра.

Ответы на контрольные вопросы лаба№5

1. При каком включении транзистора входное сопротивление усилительного каскада наименьшее?

Схема с Общей Базой.

2. При каком включении транзистора усилительный каскад имеет наибольшее входное сопротивление?

Схема с Общем Коллектором.

3. Какой усилитель называют эмиттерным повторителем? Каковы его назначения, свойства?

Усилитель с ОК. Эмиттерный повторитель необходим чтоб обеспечить большое входное сопротивление усилителя.

4. Объясните назначение элементов, входящих в схему резистивно-ёмкостного усилителя на транзисторах.

Цепь R Б1 и R Б2 – это делитель напряжения источника постоянного тока. Нужен для подачи на базу напряжения, с помощью которого задаётся ток базы и тем самым устанавливается положение рабочей точки на статические вольтамперные характеристики транзистора.

R К – резистор нагрузки. По постоянному току задаёт напряжение на коллекторе, которое определяет положение рабочей точки транзистора. По переменному является нагрузкой усилителя.

R Э – это резистор температурной стабилизации положения рабочей точки транзистора

С Э – устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

С Р – разделительные конденсаторы. .

5. Как подаётся смещение на транзистор типа р-n-р при его включении по схеме с общим эмиттером?

В схеме с ОЭ режим транзистора по постоянному току создают: элементы R Э, С Э – цепь температурной стабилизации; R Б1 , R Б2 – делитель, создающий напряжение смещения на базе. Смещение фиксированным напряжением даёт хорошие результаты при замене транзистора и изменении температуры. Однако он не экономичен из-за потери части энергии источника питания в делителе напряжения R Б1 , R Б2 .

6. Что такое активный режим работы транзистора?

Работая в активном режиме транзистор усиливает электрический сигнал. Получить этот режим можно включив эмиттерный переход в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

7. Что происходит с рабочей точкой транзистора при изменении сопротивления резисторов R Б1 и R Б2 ?

При изменении сопротивления резисторов R 1 и R 2 рабочая точка смещается.

8. Как изменится усиление каскада (схема с ОЭ), если исключить из него конденсатор С Э?

Каскад перестаёт усиливать сигнал.

9. Какие элементы схемы влияют на АЧХ усилителя в области нижних и верхних частот сигнала?

В области низких частот искажения зависят разделительной ёмкости С Р. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ёмкостью нагрузки, если она имеется.

10. Как проявляют себя нелинейные искажения при усилении синусоидальных сигналов?

Нелинейные искажения возникают из-за того, что вольтамперные характеристики транзисторов не линейны. В результате в усилителях возникают сигналы которых не было на входе усилителя, частоты этих сигналов кратны частоте входного сигнала и носят названия гармоник. Номер гармоники целочисленный и её амплитуда обычно обратно пропорциональна их номеру.

Ответы на контрольные вопросы лаба №3

Чем отличаются собственная и примесная электропроводности полупроводников?

Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решётки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. В отличие от случая, рассмотренного выше, образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки.

Опишите возникновение и свойства p-n перехода.

p-n переход это тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла. Чтоб изготовить такой переход берут, например, монокристалл из очень чистого германия с электронным механизмом проводимости. В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции, которая осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает p-n переход. Существуют и другие способы получения p-n переходов.

Опишите устройство и принцип действия биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. И конечно же существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n . В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.

Начертите и поясните вид входных и выходных характеристик транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.

А) Семейство входных характеристик () при При входная ВАХ имеет вид прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, поскольку эмиттерный переход (ЭП) и коллекторный переход (КП) при этом смещены в прямом направлении и соединены параллельно друг другу ( и внутреннее сопротивление этой эдс равно нулю. При входная ВАХ смещена вправо вследствие дополнительного падения напряжения на ЭП от протекающего по транзистору коллекторного тока. Это падение напряжения существует даже при отсутствии тока базы и соответствует участку «о-а»

Б) Семейство выходных характеристик () при изображено на рис. 14.2, б. При выходная ВАХ имеет вид обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, увеличенной в () раз (где – коэффициент передачи тока), поскольку КП при этом смещен в обратном направлении. При увеличении тока базы выходные ВАХ смещаются вверх на величину .

Какие ещё имеются схемы включения биполярного транзистора? Перечислите их основные свойства.

У схемы с ОК, самое большое входное сопротивление и самое маленькое выходное сопротивление по сравнению с другими схемами включения транзистора. Усилитель на данной схеме не усиливает по напряжению.

У схемы с ОБ, самое маленькое входное сопротивление и самое большое выходное сопротивление по сравнению с другими схемами включения транзистора.

Перечислите и поясните физический смысл h-параметров транзистора. Как их определить из статических характеристик?

входное сопротивление, при коротком замыкании выходной цепи ;

коэффициент обратной связи по напряжению, при холостом ходе во входной цепи. Характеризует внутреннюю обратную связь между входной и выходной цепями транзистора;

коэффициент передачи тока, при котором замыкании выходной цепи;

выходная проводимость, при холостом ходе во входной цепи

Как изменяется коэффициент h 21э при изменении h 21б?

Чем ближе h 21б к единице, тем больше h 21э.

Почему транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, может обеспечить усиление по току?

Величина является основным параметром, определяющим усилительные свойства биполярного транзистора. , так как , то транзистор включённый по схеме с ОЭ усиливает сигнал.

Почему входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой?

В отличии от схемы с ОЭ, в схеме с ОБ входной сигнал поступает на эмиттерный переход, который включён в прямом направлении и не препятствует протеканию тока.

Почему значение h 21э превышает 1?

Потому что .

Какие электрические параметры характеризуют положение рабочей точки на статических характеристиках транзистора?

Каковы особенности активного режима работы транзистора? Какие ещё режимы работы транзистора вам известны?

Работая в активном режиме транзистор усиливает электрический сигнал.

Насыщения – можно получить включив оба p-n перехода в прямом направлении.

Отсечки – можно получить включив оба p-n перехода в обратном направлении.

Вывод: Я исследовал статические характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и определение его основных параметров. В упражнение 1 при

U КЭ, В=0 график в конце отклонился вверх от других значений.

Контрольные вопросы №1-Ц

1. Дайте определение основных логических операций и, или, не.

Дизъюнкция(ИЛИ) - это сложное логическое выражение, которое истинно, если хотя бы одно из простых логических выражений истинно и ложно тогда и только тогда, когда оба простых логических вырожения ложны.

Обозначение: F = A + B.

Конъюнкция(И) - это сложное логическое выражение, которое считается истинным в том и только том случае, когда оба простых выражения являются истинными, во всех остальных случаях данное сложеное выражение ложно.

Обозначение: F = A & B.

Инверсия(НЕ,Орицание) - это сложное логическое выражение, если исходное логическое выражение истинно, то результат отрицания будет ложным, и наоборот, если исходное логическое выражение ложно, то результат отрицания будет истинным. Другими простыми слова, данная операция означает, что к исходному логическому выражению добавляется частица НЕ или слова НЕВЕРНО, ЧТО

На каких элементах могут быть реализованы основные логические функции?

С помощью только одних элементов ИЛИ - НЕ или только элементов И - НЕ, путем различных включений их друг с другом можно выполнить любую логическую функцию .

Разработайте схемы электромеханических аналогов устройств для реализации логических функций И. ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ.

В чем состоят достоинства интегральных логических схем?

Преимущества ИС является высокая надежность, малые размеры и масса.

Микросхемы экономичны и уменьшают расход электроэнергии и массу ИП

Интегральные схемы безынерционны.

Нарисуйте интегральную схему базового элемента ТТЛ и поясните его работу.

Основой транзисторно-транзисторной логики является базовый элемент на основе многоэмиттерного транзистора Т1 который легко реализуется в едином технологическом цикле с транзистором Т2. В ТТЛ-логике многоэмиттерный транзистор осуществляет в положительной логике операцию И, а на транзисторе Т2 собран инвертор. Таким образом, по данной схеме реализован базис И–НЕ.

В случае подачи на все входы схемы высокого потенциала, все переходы эмиттер–база транзистора Т1 окажутся запертыми так как потенциал в точке A примерно равен входным сигналам. В то же время, переход база–коллектор будет открытым, поэтому по цепи Eп – R1 – база Т1 – коллектор Т1 – база Т2 – эмиттер Т2 – корпус течет ток Iб нас, который открывает транзистор Т2 и вводит его в насыщение. Потенциал на выходе схемы оказывается близким к нулю (на уровне ≈ 0,1 В). Сопротивление R1 подобрано таким, чтобы, за счет падения напряжения на нем от тока Iб нас транзистора Т2, потенциал в точке A был бы ниже, чем потенциал входов, и эмиттеры Т1 оставались бы запертыми.

При подаче низкого потенциала логического нуля хотя бы на один из входов открывается этот переход эмиттер–база транзистора Т1, появляется значительный ток Iэ и потенциал в точке A, равный, приближается к нулевому. Разность потенциалов между базой и эмиттером Т2 также становится равной нулю, ток Iб транзистора Т2 прекращается, и он закрывается (переходит в режим отсечки). В результате выходное напряжение приобретает значение, равное напряжению питания (логической единицы).

Существенным недостатком рассмотренной схемы элемента И–НЕ являются низкие нагрузочная способность и экономичность ее инвертора, поэтому в практических схемах используют более сложный инвертор

О коэффициенте пульсации чаще всего говорят, когда рассматривают переменный электрический ток. Тогда рассматривают коэффициент пульсации напряжения или силы тока. Существует внутренне деление коэффициентов пульсации напряжения (тока) на: коэффициент пульсации напряжения (тока), коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению, по действующему значению.

В общем случае форма напряжения на выходе выпрямляющего устройства имеет постоянную (называемую полезной) и переменную (пульсирующую) составляющие.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

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 () и некоторого числа () гармоник, имеющих амплитуды , то коэффициент пульсации напряжения () можно определить формулой:

где n — номер гармоники.

При этом компоненту считают полезным результатом деятельности выпрямителя, в отличие от пульсаций . Если форма пульсаций сложная, то максимальным значением может обладать не первая гармоника, но обычно под k понимают ее. Она применяется в расчетах и записывается в технических документах оборудования.

Разновидности коэффициентов пульсации напряжения (тока)

Коэффициентом пульсации напряжения (тока) по среднему значению называют величину, равную отношению средней величины переменной компоненты пульсирующего напряжения (тока) к постоянной составляющей.

Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — это параметр, который находят как отношение действующего значения переменой компоненты пульсирующего напряжения (тока) к его неизменной компоненте.

Часто потребителям не важно, какая из гармоник на выходе выпрямляющего устройства обладает наибольшим размахом. Интерес составляет общий размах пульсаций, который характеризует абсолютный коэффициент пульсаций (), который определяют выражением:

Или применяют формулу:

Коэффициент пульсации напряжения измеряют при помощи осциллографа или двух вольтметров.

Коэффициент пульсации — это одна из самых значимых характеристик выпрямителя — устройства, которое предназначено для превращения переменного напряжения источника электрической энергии в постоянное.

Единицы измерения

Коэффициент пульсации рассматривают как безразмерную величину или он может указываться в процентах.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Каковы коэффициенты пульсации по первой гармонике, абсолютные коэффициенты пульсации в двух вариантах расчета, если постоянное напряжение на выходе выпрямляющего устройства составляет 20 В, а напряжение пульсаций ?
Решение	Коэффициент пульсации напряжения по первой гармонике найдем, используя выражение: где n =1. Проведем вычисления: Абсолютный коэффициент пульсации напряжения (вариант 1) найдем, применяя формулу: Вычислим : Второй вариант абсолютного коэффициента пульсации напряжения: Вычислим его:
Ответ

ПРИМЕР 2

Задание

При подаче переменного напряжения в виде синусоиды на первичную обмотку согласующего (рис.1) на зажимах вторичной обмотки он будет иметь напряжение: Диод проводит электрический ток только половину периода переменного напряжения. В положительную половину периода, когда на аноде диода (VD) потенциал больше нуля, он открыт и при этом все напряжение вторичной обмотки трансформатора приложено к диоду. Каким будет коэффициент пульсации тока по среднему значению?

Частота пульсаций напряжения на нагрузке соответствует двухпо-лупериодной схеме выпрямления.
Двухполупериодное умножение напряжения.| Схема однополупе-риодного умножения напряжения. Частота пульсаций напряжения на нагрузке соответствует двухполупериоднои схеме выпрямления.
ДЭЗ с изменяемой частотой пульсации напряжения могут работать при намного более низких скоростях газа-носителя, чем детекторы, работающие при постоянной частоте пульсации. ГЖХ-метод с ДЭЗ, описанный в работе , позволяет анализировать в клинической лаборатории до 40 образцов бензодиазепинов в день с получением в этот же день окончательных результатов.
Для этого собственная частота фильтра и частота пульсации напряжения должны резко отличаться друг от друга.
Так как (01п2шф, то возможность резонансных явлений на частотах пульсации напряжения исключается.
Настроечная карта телевизоров Знамя-58 и Знамя - 58М. а - расположение органов настройки контуров со стороны ламп. б - то же, со стороны монтажа. в - частотная характеристика УПЧ с сетки лампы Jl. a - то же, с сетки лампы Л. и - частотная характеристика канала изображения. е - то же, УПЧ.| Частотная характеристика видеоусилителя. Кривая / - характеристика второго каскада. кривая / / - суммарная характеристика двух каскадов. Пульсация напряжения на катоде лампы Л9 противоположна по фазе и равна по частоте пульсации напряжения на сетке лампы селектора. В результате сложения этих напряжений общий уровень фона в анодной цепи селектора кадровых синхроимпульсов уменьшается и устойчивость кадровой синхронизации повышается.
Дроссели сглаживающих фильтров можно также условно классифицировать по энергии, характеризующейся величиной / 20L №, на дроссели малой, средней и большой мощности; по частоте пульсации напряжения и тока: низкочастотные и повышенной частоты; по конструктивным особенностям магнитопровода и обмоток, а также по эксплуатационным свойствам.
Фотоэлектрические тахометрические преобразователи основаны на появлении пульсирующего электрического напряжения в цепи фотоэлемента в результате периодического прерывания вращающейся турбинкой луча света, падающего на фотоэлемент. Частота пульсации напряжения в цепи фотоэлемента пропорциональна вращению турбинки. Такие преобразователи не создают никакого тормозящего момента, но устройство их сложнее, чем индукционных или индуктивных. Обычно осветитель (электрическая лампочка) и фотоэлемент устанавливаются с разных сторон турбинки и отделяются от измеряемого вещества прочными стеклами. В теле турбинки делается одно или несколько отверстий, которые при вращении турбинки создают периодическое освещение фотоэлемента светом, падающим от осветителя. Для получения высокой частоты фототока служат разные средства. Так, в работе для этой цели применено зубчатое колесо, каждый зуб которого модулирует луч света, падающий на фотоэлемент. В другом расходомере применены три фотоэлектрических преобразователя, каждый из которых состоит из лампы, фотосопротивления и двух оптических призм, отделяющих фотосопротивления и лампы от жидкости.
Тахогенератор представляет собой генератор постоянного тока определенного конструктивного исполнения, у которого обеспечена строгая пропорциональность частоты вращения выходному напряжению, независимость от температуры, долговременная стабильность и небольшие пульсации выходного напряжения. Если частота пульсаций напряжения тахогенератора, определяемая числом пазов статора, окажется близкой к частоте пульсаций напряжения преобразователя, могут возникнуть биения, нарушающие работу системы регулирования. Для шестипульсного преобразователя, основная частота пульсаций которого равна 300 Гц, биения могут возникнуть, например, при 30 пазах и частоте вращения около 600 об / мин.
На основании (95) производят выбор L и С по рекомендациям формул (93) с учетом конструктивных соображений и избежания явления резонанса в элементах фильтра. В последнем случае требуется, чтобы собственная частота фильтра u0l / ] / Z C была меньше частоты пульсаций напряжений первой гармоники и не кратной ей.
Проведенный анализ показывает, что в двухполупериодной схеме трансформатор используется значительно лучше, чем в однополупериодной схеме, вследствие отсутствия вынужденного намагничивания сердечника постоянной составляющей тока вторичной обмотки. Среднее и максимальное значения тока вентиля уменьшаются в два раза при одном и том же токе нагрузки. Частота пульсаций напряжения на нагрузке увеличивается в два раза. Обратное напряжение на вентиле по-прежнему велико.
В результате можно сделать вывод о необходимости ориентироваться на величины накопительной емкости С - (Юн - 50) - 103 пф и напряжения на ней t / 10 кв, что является определенным затруднением на пути реализации такого генератора световых вспышек. Следует также обратить внимание на качество высоковольтных источников питания. Может иметь место поджиг строботрона с частотой пульсации напряжения на электродах, определяющейся частотой сети и многофазностью выпрямителя.

Схемы выпрямления с умножением напряжения могут быть трансформаторные и бестрансформаторные. В качестве примера на рис. 4.22 показаны схемы выпрямления с умножением в два, три и шесть раз. Действие этих схем общеизвестно и лишь аз порядке напоминания укажем, что кратность умножения напряжения является приблизительно целым числом, частота пульсации напряжения на нагрузке определяется частотой питающего напряжения (ynfc), число вентилей и конденсаторов равно кратности умножения напряжения. Применение таких схем оправдывает себя лишь при малых токах нагрузки, когда конденсаторы схемы работают в режиме частичного разряда.