Лабораторная работа №1 «Исследование однофазных схем выпрямления»

Целью работы является исследование выпрямительных устройств, выполненных на основе однофазных одно- и двухполупериодной схем, снятие внешних характеристик, сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими, анализ работы сглаживающих фильтров.

I. Задание по выполнению лабораторной работы

1. Ознакомиться с лабораторным оборудованием.

2. Исследовать однополупериодный выпрямитель.

3. Исследовать двухполупериодный (мостовой) выпрямитель.

4. Исследовать выпрямитель при работе с емкостным С-фильтром.

5. Экспериментально определить коэффициент пульсаций при максимальной нагрузке для мостового выпрямителя с С-фильтром.

Внимание!!!

Подавать напряжение на любую из собранных схем можно только после ее проверки преподавателем.

II. Методические указания к лабораторной работе

К пункту 1

Описание лабораторного оборудования

Стенд состоит из модулей «Питание», «Наборное поле с генераторами напряжений», «Мультиметры» и мини-модулей.

1.1. Модуль «Питание» предназначен для питания модулей «Наборное поле» и «Мультиметры», а также внешнего дополнительного прибора – двухканального осциллографа (подключается к розетке на лицевой панели модуля).

Для подачи напряжения питания модуля следует включить двухполюсный автоматический выключатель и устройство защитного отключения.

Наличие питания индицируется лампой «Сеть».

1.2. Модуль «Мультиметры» состоит из двух мультиметров. Для включения модуля следует перевести тумблер «Вкл.» в верхнее положение.

Необходимый диапазон измерений, род тока и напряжения устанавливаются вращением поворотного переключателя мультиметра.

1.3. Модуль «Наборное поле» имеет гнезда для сборки исследуемых цепей. Для включения модуля следует перевести тумблер «Вкл.» в верхнее положение (расположен в левом нижнем углу модуля).

Рекомендуемый способ установки мини-модуля типа «Диод» показан на рис. 1.1. Способ установки мини-модулей типа «Резистор» и «Конденсатор» аналогичен.

Рис. 1.1. Способ установки мини-модуля «Диод» на наборном поле

Внимание!!! На рис. 1.1 тонкими линиями показана мнемосхема, нанесенная на переднюю панель модуля в виде квадратов. В узлах квадратов находятся гнезда, электрически соединенные между собой. Поэтому элементы типа диод, резистор, конденсатор устанавливаются в два гнезда, не соединенных линиями.

1.4. В лабораторной работе используются функциональный генератор, мультиметры, наборное поле, мини-модули:

• диоды КД226 – 4 шт.;

• резисторы сопротивлением 10 Ом (2 шт.); 150 Ом; 220 Ом; 2,2 кОм; 4,7 кОм;

• конденсаторы электролитические емкостью 47 мкФ и 470 мкФ.

В качестве дополнительного оборудования – двухканальный осциллограф.

Варианты размещения мини-модулей представлены на рис. 1.2, 1.3.

Рис. 1.2. Вариант размещения мини-модулей для однополупериодного выпрямителя

Рис. 1.3. Вариант размещения мини-модулей для двухполупериодного выпрямителя

К пункту 2

2.1. Исследуйте выпрямитель, собранный по однополупериодной схеме (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схема для снятия внешней характеристики однополупериодного выпрямителя

На наборном поле с помощью мини-модулей и соединительных проводов соберите выпрямитель, состоящий из диода VD1 и резистора R_н, по схеме, изображенной на рис. 1.4. Подайте синусоидальное напряжение с заданной амплитудой (табл. 1.1) и частотой 50 Гц с функционального генератора на вход собранной схемы.

Таблица 1.1. Исходные значения амплитуды U_вх

Бригада	1	2	3	4	5	6	7
Uвх, В	5	5,5	6	6,5	7	7,5	8

Подключите мультиметры. Для этого используйте гнезда «СОМ», «1 А» – для амперметра и «СОМ», «V» – для вольтметра.

Примечание. Соединительный провод от гнезда «1 А» для амперметра подключается в разрыв цепи в точку с более высоким потенциалом (то есть в начало разрываемой цепи).

Поворотные переключатели приборов PA1 и PV1 переведите в положение _А и _V соответственно.

Установите диапазоны измерений: 200 мА и 20 В для амперметра и вольтметра соответственно.

Включите модуль «Наборное поле», переведя тумблер в положение «Вкл.».

Снимите внешнюю характеристику U_d = f(I_d), регистрируя мультиметрами выпрямленные напряжение U_d и ток I_d при изменении сопротивления нагрузки.

Для этого поочередно устанавливайте в гнезда наборного поля мини-модули «Резисторы» от максимального номинала до минимального, значения которых указаны в табл. 1.2.

Показания приборов запишите в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Данные для построения внешней характеристики U_d = f(I_d)

Rн	4,7 кОм	2,2 кОм	220 Ом	150 Ом
Id, A
Ud, B

2.2. Для получения расчетных соотношений параметров выпрямителя выполните с помощью мультиметров измерения токов и напряжений.

Для этого вольтметр PV1 и амперметр PA1 (рис. 1.5, а) включите сначала для измерения действующих значений напряжения и тока (U_вх, I_вх), а затем вольтметр PV2 и амперметр PA2 (рис. 1.5, б) – для измерения выпрямленных напряжения и тока (U_d, I_d), не забывая при этом устанавливать поворотные переключатели приборов в соответствующие положения: РА1 и PV1 в _~A и _~V соответственно, РА2 и PV2 в _A и _V соответственно с диапазонами измерений 200 мА и 20 В.

а) б)

Рис. 1.5. Схема для измерения токов и напряжений: а – переменных; б – постоянных

Шунтирующие резисторы используйте для снятия с них осциллограмм переменного тока (R_ш1) и выпрямленного тока (R_ш2).

При этом резистор R_н установите с номиналом 150 Ом, что соответствует максимальному току нагрузки.

Показания приборов запишите в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Результаты измерений и расчетные соотношения

Схема выпрямителя	Измерения					Вычисления
	Uвх, В	Iвх, мА	Ud, В	Id, мА	Uобр. макс, В
Однополупериодная

Примечание. U_вх, I_вх – действующие напряжение и ток на входе выпрямителя; U_d, I_d – измеренные выпрямленные значения напряжения и тока нагрузки; U_{обр. макс} – амплипудное значение обратного напряжения на диоде; U_d0 – выпрямленное напряжение в режиме холостого хода.

При оформлении отчета сравните расчетные соотношения с теоретическими, приведенными в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Теоретические соотношения

Схема	Однофазная однополупериодная	Однофазная двухполупериодная с нулевой точкой	Однофазная двухполупериодная мостовая
	1,57	π/4 = 0,785	= 1,11
	2,22	= 1,11	= 1,11
	3,14	π = 3,14	π/2 = 1,57

2.3. Включите и настройте осциллограф. Настройка производится нажатием кнопки «Autoset». Выберите масштаб изображения, при котором развертка луча соответствовала 5 мс на одну экранную клетку. Кабель первого канала осциллографа подключите к гнездам XS1 и XS5 для наблюдения формы входного напряжения U_вх(t). Осциллограмму перенесите на график. Кабель второго канала подключите к гнездам XS5 и XS6 (см. рис. 1.5, б) для наблюдения формы выпрямленного напряжения U_d(t) и также перенесите на график. Затем этот же кабель подключите к гнездам XS2 и XS3 для наблюдения формы тока через диод I_a(t), одновременно зарисовывая ее на бумаге.

Примечания. Штекер красного щупа кабеля вставляется в гнездо с положительным потенциалом, а штекер черного щупа – в гнездо нулевого потенциала («земля»). При использовании двух каналов осциллографа щупы черного цвета объединить в одной точке.

При активной нагрузке форма выпрямленного тока повторяет форму выпрямленного напряжения, поэтому снимать осциллограмму I_d(t) не следует.

Амплитудное значение напряжения U_{обр. макс} определите с помощью осциллографа, подключенного к гнездам XS3, XS4, и одновременно зарисуйте кривую обратного напряжения. Результат измерения U_{обр. макс} запишите в табл. 1.3.

Осциллограммы должны быть выполнены в одном масштабе и размещены одна под другой для совмещения соответствующих моментов времени.

К пункту 3

3.1. Исследуйте выпрямитель, собранный по двухполупериодной схеме (рис. 1.6).

На наборном поле с помощью мини-модулей и соединительных проводов соберите двухполупериодный мостовой выпрямитель, состоящий из диодов VD1…VD4 и резистора R_н, по схеме, изображенной на рис. 1.6. Включите модуль «Наборное поле», переведя тумблер в положение «Вкл.».

Рис. 1.6. Схема для снятия внешней характеристики двухполупериодного мостового выпрямителя

Выполните все действия аналогично действиям п. 2.1. Подавайте синусоидальное напряжение с заданной амплитудой из табл. 1.1 и частотой 50 Гц с функционального генератора на вход собранной схемы. Показания приборов запишите в табл. 1.5.

Таблица 1.5. Данные для построения внешней характеристики U_d = f(I_d)

RH	4,7 кОм	2,2 кОм	220 Ом	150 Ом
Id, A
Ud, B

3.2. Для получения расчетных соотношений параметров выпрямителя выполните с помощью мультиметров измерения токов и напряжений.

Для этого вольтметр PV1 и амперметр PA1 (рис. 1.7, а) включите для измерения действующих значений напряжения и тока (U_вх и I_вх), а затем вольтметр PV2 и амперметр PA2 (рис. 1.7, б) – для измерения выпрямленных напряжения и тока (U_d и I_d), не забывая при этом устанавливать поворотные переключатели приборов в соответствующие положения: РА1 и PV1 в _~мА и _~V с соответствующим диапазоном измерения.

а) б)

Рис. 1.7. Схема для измерения токов и напряжений: а – переменных; б – постоянных

Шунтирующий резистор R_ш1 используйте для снятия с него осциллограммы переменного тока (гнезда XS2 и XS3), а R_ш2 – постоянного тока (гнезда XS5 и XS6). Резистор R_н установите с номиналом 150 Ом, что соответствует максимальному току нагрузки.

Показания приборов запишите в табл. 1.6.

Таблица 1.6. Результаты измерений и расчетные соотношения

Схема выпрямителя	Измерения					Вычисления
	Uвх, В	Iвх, А	Ud, В	Id, А	Uобр. макс, В
Мостовая

К пункту 4

Исследуйте выпрямитель, собранный по двухполупериодной схеме с С-фильтром, показанной на рис. 1.8. Включите конденсатор емкостью 47 мкФ. Резистор R_н установите номиналом 2,2 кОм.

Рис. 1.8. Схема для снятия внешней характеристики U_d = f(I_d) мостового выпрямителя с С-фильтром

Внимание!!! При включении конденсатора фильтра строго соблюдать указанную на схеме полярность, то есть положительный вывод микромодуля «Конденсатор» нужно соединить с выводом нагрузочного резистора, имеющего положительный потенциал.

Выполните все действия аналогично действиям п. 3.1.

Зарисуйте осциллограммы напряжений U_вх и U_d.

Показания приборов запишите в табл. 1.7.

Таблица 1.7. Результаты измерений с подключенным фильтром для двух номиналов

RH	4,7 кОм	2,2 кОм	220 Ом	100 Ом
При С1 = 47 мкФ: Id A
Ud, В
При С1 = 470 мкФ: Id A
Ud, В

Замените конденсатор на другой с емкостью 470 мкФ и выполните действия, аналогичные действиям с конденсатором емкостью 47 мкФ.

К пункту 5

Используйте ранее собранную схему (см. рис. 1.8).

Для измерения величины первой гармоники U_d1m необходимо подключить осциллограф к гнездам XS1 и XS2. Настройка осциллографа производится путем нажатия кнопки F1. При этом в правом столбце от экрана появляется символ АC. Таким образом, исключается постоянная составляющая из кривых выпрямленного напряжения.

Измерение постоянной составляющей U_d выполните вольтметром. Результаты измерений занесите в табл. 1.8.

Таблица 1.8. Коэффициенты пульсаций и сглаживания

С-фильтр	Экспериментальные данные		Расчетные данные
	Ud, В	Ud1m, В	q1	q2 =	s =
47 мкФ

Примечание. Коэффициент пульсации определяется при максимальном значении тока нагрузки (R_н = 150 Ом).