Особенности лабораторной установки

Лабораторная установка питается от сети переменного тока 220 В. Включение установки осуществляется с помощью выключателя SА, расположенного в середине верхней части лицевой панели макета. С помощью встроенных выпрямителя и фильтра в установке получают выпрямленное напряжение соответствующего значения для схем макета.

Источники напряжения U₀₁ и U_~₁, изображённые насхемах сглаживающих фильтров, условно обозначают постоянную и переменную составляющие выпрямленного напряжения на входе фильтра.

Выбор необходимой схемы сглаживающего фильтра осуществляется переключателем выбора схемы SA (I - IV). Рукоятка переключателя должна быть расположена своим острием на линии, указывающей на схему фильтра (LС - фильтр, СLС -фильтр, RС - фильтр, резонансный фильтр). Разъемы Х1 - Х16 автоматически переключаются при повороте переключателя выбора схемы SА (I - IV), подключая источники U₁₀ и U₁_~. При этом для каждой схемы фильтра соответствующим образом переключаются: сопротивление нагрузки R_Н, измерительные приборы РА (ток нагрузки), PU1 (постоянная составляющая выходного напряжения V_о), PU2 (переменная составляющая выходного напряжения V_~).

Измерение переменных составляющих напряжения U_~₁ (на входе фильтра) и U_~₂ (на выходе фильтра) производится ламповым вольтметром PU2 с многопредельной шкалой. Входные клеммы вольтметра PU2 включаются в гнезда XS₁₇ - XS₁₈. Постоянные составляющие U₀₁ и U₀₂(на входе и на выходе фильтра соответственно) измеряются прибором PU1 (V₀), расположенном на передней панели макета. Электрически оба прибора PU1 (V₀) и PU2 (V_~), соединены параллельно и с помощью переключателя SA11 могут быть включены либо на вход фильтра (левое положение тумблера SA11), либо на его выход (правое положение тумблера SA11).

Величина тока нагрузки плавно меняется резистором - потенциометром R_н, ручка которого расположена в середине нижней части макета.

Схема RC - фильтра имеет следующие особенности.

С помощью тумблеров SA1, SA2 и SA3 производят включение и выключение балластных, гасящих резисторов R1, R2 и R3. При включении этих тумблеров вправо, они замыкаются и соответствующие резисторы закорачиваются (выключаются). Аналогично, посредством тумблеров SA4, SА5 и SА6 включаются соответствующие емкости СЗ, С4 и С5. Например, если SA1 и SA4 находятся в правом положении, а SA2, SА3, SA5, SА6 - в левом, то включены балластные резисторы R2, RЗ и включена емкость С3.

Для схемы RС - фильтра лабораторный макет позволяет набрать 5 различных комбинаций R и C при RC = const:

R1, (C4 + C5);

R2, C5;

RЗ, C4;

(R1 + R3), C3;

(R1 + R2), C4.

Схема резонансного фильтра имеет следующие особенности: тумблеры SА7, SА8, SA9 и SА10, при их положении вправо, включают соответственно емкости С6, С7, С8 и С9.

Приложение

Сглаживающие фильтры выпрямителей.

Сглаживающими фильтрами выпрямителей называют устройства, предназначенные для уменьшения переменной составляющей (пульсаций) выпрямленного напряжения.

Фильтры электропитания – это фильтры нижних частот. Их делят на активные и пассивные. Пассивные сглаживающие фильтры содержат только реактивные элементы и строятся на основе различных комбинаций емкостей С, индуктивностей L и сопротивлений R (рис. 6.2). В состав активных сглаживающих фильтров входят активные (усилительные) и нелинейные элементы.

По числу фильтрующих элементов фильтры делятся на однозвенные и многозвенные, то есть содержащие несколько групп элементов, каждая из которых может рассматриваться автономно.

По составу фильтрующих элементов фильтры бывают индуктивными, если mw_CL> > R_H (рис.6.2а, емкостными (рис.6.2б, если 1/ mw_СС_Н < < R_H и индуктивно – емкостными (рис.6.2 г, д). Когда в сглаживающем фильтре одновременно присутствуют индуктивность и ёмкость, то такой фильтр имеет собственную резонансную частоту:

w_ф = 1/

Если собственная частота фильтра w_ф равна или кратна частоте пульсаций выпрямленного напряжения, то такой фильтр называют резонансным, если w_ф ниже частоты пульсаций, то его называют нерезонансным.

На рисунке 6.2 изображены наиболее распространённые схемы пассивных сглаживающих фильтров, называемых Г – образными (LC на рис. 6.2 г или RC на рисунке 6.2 в) и П – образными (CLC на рис. 6.2 д и другие).

Основными показателями для расчётов фильтров являются:

- К_П1= U_~1/ U₀₁ - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра;

- К_П2= U_~2/ U₀₂ - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра;

- q= К_П1/ К_П2= U_~1U₀₂/ U₀₁U_~2 - коэффициент фильтрации (сглаживания) фильтра;

- К_пер = U₀₂/U₀₁ - коэффициент передачи фильтра, как отношение постоянных составляющих на выходе и входе фильтра.

- h_RC = R_Н / (R_Н + R_Ф) - коэффициент полезного действия RС-фильтра.

Расчёт фильтров базируется на обеспечении заданного коэффициента сглаживания. Для индуктивного фильтра рис. 6.2а при К_пер»1 коэффициент фильтрации по первой гармонике равен:

при mwL > > R_н, m – число фаз выпрямления. На основании этого выражения можно найти L для заданного значения q.

Для наиболее распространённого емкостного фильтра (рис. 6.2б):

q = 2R_ФC / H(m² – 1),

где R_Ф = R_вен+ R_тр – сопротивление фазы выпрямителя, Н – параметр, являющийся функцией угла отсечки q, находится по графику [Л1, стр.281], [Л2, стр120].

В случае применения Г - образного RC - фильтра при R_Н > > X_С получается:

q = k_С @ mwСR_ФR_Н / (R_Н + R_Ф),

Наиболее эффективным из распространённых фильтров является Г - образный LC – фильтр, для которого коэффициент сглаживания определяется, как:

q = k_C = (mwL - 1 / mwC) / (1 / mwC) » (mw)² LC - 1

при выполнении условия: Х_L > > R_Н > > Х_С или w L > > R_Н > > 1/wC. Коэффициент полезного действия LС-фильтра:

h_LC = R_Н / (R_Н + R_L) » 1

Коэффициент сглаживания П – образного фильтра находится как произведение коэффициентов сглаживания емкостного и Г – образного LC –фильтров

q = [2R_Ф C₁/Н(m² – 1)] (m²w²LC - 1)

В тех случаях, когда в спектре напряжения питания явно преобладает одна основная гармоника или одна из гармоник напряжения питания должна быть подавлена, применяются резонансные фильтры. В данной лабораторной работе исследуется фильтр – «пробка».

Известно, что в параллельном LC - контуре наблюдается явление резонанса токов. То есть на резонансной частоте собственная частота фильтра равна частоте пульсаций выпрямленного напряжения w_пул = w_ф = 1 / . Сопротивление фильтра на частоте w_ф резко возрастает до весьма большой величины. При этом векторы токов в индуктивности и ёмкости противоположны по фазе и равны по величине, а эквивалентное сопротивление контура имеет активный характер:

R_э.» L_к / C_к R_др

Если такой контур включить последовательно с нагрузкой и емкостным фильтром (включенным параллельно нагрузке), то образуется Г - образный фильтр с коэффициентом сглаживания