Главная / Материалы и элементы электронной техники / Лабораторная работа № 7. Исследование схем выпрямителей с умножением напряжения

Лабораторная работа № 7. Исследование схем выпрямителей с умножением напряжения

Цель работы

Ознакомление с принципом действия и характеристиками однофазных схем выпрямления с умножением напряжения, в частности, со схемами удвоения и умножения напряжения на четыре.

7.1. Основные сведения о схемах умножения

В схемах умножения напряжения используется свойство однофазной однополупериодной схемы выпрямления, работающей на емкостную нагрузку, создавать между отдельными ее точками разность потенциалов, превышающую амплитуду напряжения вторичной обмотки питающего трансформатора. Сначала рассмотрим принцип работы схемы удвоения напряжения, рис. 7.1.

Рис. 7.1. Однофазная схема удвоения напряжения

Часть схемы, состоящая из вторичной обмотки трансформатора, вентиля VD1 и конденсатора С1, представляет собой однополупериодный выпрямитель с емкостной нагрузкой. Конденсатор в такой схеме заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки U2M (полярность напряжения указана около конденсатора). Тогда разность потенциалов между точками A И B будет изменяться следующим образом:

Uab = U2M (1 + sin ωT)

В определенные моменты времени, когда sin ωT = 1 (знаки полуволн для этой фазы вторичного напряжения указаны на рисунке без скобок), разность потенциалов Uab становится равной 2U2M. Если к точкам A И B подключить участок схемы, изображенный пунктирными линиями, состоящий из вентиля VD2 и конденсатора С2, то конденсатор С2 через вентиль VD2 может зарядиться до максимального напряжения 2∙U2M. Таким образом, между точками A И С Возможно достижение постоянного напряжения, равного удвоенной амплитуде вторичного напряжения трансформатора.

В те моменты времени, когда sin ωT = –1 (знаки полуволн для этой фазы вторичного напряжения указаны на рисунке в скобках), вновь происходит зарядка конденсатора С1 до U2M и далее процесс возобновляется.

Если параллельно конденсатору С2 подключить нагрузку – резистор RН, то напряжение на конденсаторе станет пульсирующим, поскольку будет происходить чередование процессов его зарядки и разрядки, рис. 7.2.

Рис. 7.2. Временная диаграмма токов и напряжений в схеме удвоения

В интервале времени T1…T4 конденсатор С2 разряжается по экспоненциальному закону: . Чем больше произведение RНС2 по сравнению с длительностью периода Т питающего напряжения (Т = 1 / F), тем медленнее происходит разрядка конденсатора С2 и, значит, выше стабильность напряжения на RН. При соблюдении этого условия зависимость напряжения UC2 от времени в интервале T1…T4 соответствует начальному участку экспоненты и близка к линейной, а ток разрядки конденсатора С2 близок к постоянному значению: IC2 = IRН ≈ Const = I0 (рис. 7.2). Зарядка конденсатора С2 происходит в интервале времени от T4 до T1. В этом интервале времени через конденсатор С1 протекает ток разрядки и напряжение на нем уменьшается.

Таким образом, напряжение на выходе схемы (Uac) изменяется по сложному закону от UMax до UMin. Размах изменения напряжения характеризуется пульсацией:

(7.1)

И внутренним падением напряжения:

(7.2)

Оба выражения вытекают из закона сохранения заряда

Q = CU = I0T = I0 / F

При условии постоянного тока разрядки конденсатора.

Как следует из рис. 7.2, среднее значение выпрямленного напряжения приблизительно равно:

(7.3)

При С1 = С2 = С окончательно получим:

(7.4)

Схема умножения напряжения получается добавлением к схеме удвоения N дополнительных секций, содержащих два конденсатора и два диода (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема умножения напряжения

При отсутствии сопротивления нагрузки RН (режим холостого хода) выходное напряжение, снимаемое с последовательно включенных конденсаторов С1 … СN, равно

Umax = 2NU2M (7.5)

При подключении нагрузки RН возникают пульсации напряжения. По сравнению с пульсациями δU на выходе схемы удвоения, рассчитываемыми по формуле (7.1), пульсации напряжения на RН в схеме умножения существенно выше т. к. все конденсаторы в группах С1 … СN и С1′ … СN‘ включены последовательно:

(7.6)

Внутреннее падение напряжения также увеличивается:

(7.7)

Среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы умножения равно

(7.8)

При выводе формул (7.6) – (7.8) предполагалось, что емкости всех конденсаторов схемы умножения равны: С1 … СN = С1′ … СN‘ = С.

7.2. Порядок выполнения исследований

1. Вставьте в разъем ХР1 лабораторного стенда плату, содержащую схему удвоения напряжения.

2. Включите питание стенда. С помощью мультиметра 2 измерьте переменное напряжение, подаваемое на схему удвоения (между точками COM и Uac1), а также постоянное напряжение на выходе схемы при отключенной нагрузке (между точкой Udc и общей точкой цепи постоянного тока GND).

3. Минуя дроссель L1 и не подключая конденсаторы фильтра С1 и С2, включите амперметр постоянного тока (мультиметр 1) между выходом схемы удвоения Udc и сопротивлением нагрузки. Параллельно сопротивлению нагрузки подключите входы осциллографа и мультиметр 2 в режиме измерения постоянного напряжения (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Принципиальная схема исследований схем умножения напряжения

4. Потенциометром RH1 установите минимальный ток нагрузки IН (IН = I0). Зарисуйте осциллограмму напряжения на выходе схемы удвоения. На этой осциллограмме измерьте пульсацию выходного напряжения δU. Подключите входы осциллографа к шунтирующему резистору RS1 и зарисуйте осциллограмму тока во вторичной обмотке трансформатора Т (RS1 = 2 Ом).

5. Повторите п. 4 для нескольких значений тока нагрузки (еще 2-3 точки).

6. Выключите питание стенда и разомкните цепь нагрузки, отключив от цепи мультиметр 1 (амперметр). Вставьте в разъем ХР1 лабораторного стенда плату, содержащую схему умножения напряжения на четыре и повторите исследования по пп. 2 – 5.

Содержание отчета

Схемы умножения напряжения на два и на четыре.

Таблицы с результатами измерений (зависимости пульсации выходного напряжения от тока нагрузки).

Экспериментальные и расчетные зависимости выходного напряжения и пульсации от тока нагрузки. При расчетах емкости конденсаторов во всех исследуемых схемах принять равными 100 мкФ.

Осциллограммы токов и напряжений для исследованных схем.

Выводы по результатам исследований, содержащие сравнение исследованных схем и сопоставление эксперимента и расчета.

Оставить комментарий