Заняття гуртка "Радіоелектронне конструювання". "Випрямляч. Схеми та принцип дії випрямлячів. Пульсації випрямленого струму. Згладжувальні фільтри"

 

ОК Заняття №___в гуртку

«Радіоелектронне конструювання».

«______» ____________ 202__ р.

 

Тема: Випрямляч. Схеми та принцип дії випрямлячів.

 Пульсації випрямленого струму. Згладжувальні фільтри: основні типи і застосування.

 

Мета заняття:

Навчальна: Продовжити формувати в учнів знання про  живлення  радіоелектронних пристроїв від мережних блоків живлення. Забезпечити засвоєння знань про випрямлячі.

Методична: удосконалити методику організації та проведення теоретичної складової заняття з використанням різноманітних форм контролю знань учнів та вихованців гуртка, з метою активізації їх розумової діяльності, підвищенню ефективності  роботи на занятті, якості засвоєння теоретичного матеріалу; методику використання міжпредметних зв’язків;

Дидактична: навчити самостійно опрацьовувати новий навчальний матеріал, складати схеми з електронними компонентами і знати принцип дії, уміти застосовувати різноманітні типи схем на практиці;

Виховна: формувати розуміння значущості електроніки у всіх галузях людської діяльності, сприяти формуванню та розвитку інтелектуальних та творчих здібностей в процесі вивчення матеріалу, сприяти розвитку творчої самостійності учнів гуртка.

Розвиваюча. Дати додаткові знання про випрямлячі, основні характеристики, напівпровідникові матеріали та їх властивості.

 

Вид заняття: лекція, практичне виконання робіт: креслення схем, виготовлення плат.

Тип заняття:  інформаційний з елементами пошукової діяльності та наочності

Методи і форми проведення заняття: евристична бесіда, індивідуальна робота, випереджувальні теоретичні та практичні завдання.

Міжпредметні зв’язки:

забезпечуючі: хімія, фізика.

забезпечувані: електротехніка, радіотехніка, електроніка, автоматика.

Методичне забезпечення: опорний конспект заняття, тестові завдання; принципові схеми, інструменти, матеріали, обладнання для виконання практичного заняття.

Технічні засоби навчання: ПК, мультимедійний проектор, діючі макети випрямлячів та лінійні блоки живлення виконані учнями гуртка

 

Хід заняття

1. Організаційний момент.

1.1 Привітання учнів гуртка.

1.2 Перевірка наявності учнів гуртка.

2. Актуалізація опорних знань.

2.1 Повторення  відомостей про напівпровідниковий прилад – випрямляючий діод, який застосовується у схемах випрямляча.

 

Фронтальне опитування учнів.

2.1.1. Що називають напівпровідниковим діодом?

2.1.2. Яка основна властивість напівпровідникових діодів?

2.1.3. За технологією виготовлення які  існують діоди? 

2.1.5. Що представляє собою вольт-амперна характеристика діоду?

2.1.6. Які ви знаєте параметри діоду?

2.1.7. Проаналізуйте процеси, які відбуваються у діоді при протіканні змінного струму.

2.1.8. Що відбудеться з діодом, якщо через нього пропустити прямий струм і прикласти зворотну напругу величиною більше ніж граничне значення?

 

План заняття

1. Мотивація вивчення теми

2. План вивчення нового матеріалу

2.1. Основні теоретичні відомості про випрямлячі та їх класифікація.

2.2. Однопівперіодний  випрямляч. Принцип дії.

2.3. Двопівперіодного  випрямляча з нульовим виводом на активне навантаження. Принцип дії.

2.4. Мостова однофазна двопівперіодна схема випрямляча. Принцип дії.

2.5. Згладжувальні фільтри.

 

1. Мотивація вивчення теми

Джерела живлення були і залишаються найважливішою і незамінною складовою будь-якої радіоелектронної схеми. Для забезпечення схем необхідними напругами використовують або автономні джерела живлення – батареї, акумулятори, або, при живленні радіоапаратури від мережі змінного струму, – мережеві джерела.

Як відомо, електрична енергія виробляється, розподіляється та споживається переважно у вигляді енергії змінного струму. Так зручніше. Проте споживачі електричної енергії є різні. Безпосереднє живлення електронних схем різноманітних радіо - та електронних пристроїв здійснюється від джерел живлення з постійною напругою.

Для перетворення змінної напруги живильної мережі в постійну напругу необхідної величини використовують випрямлячі. Необхідність такого перетворювання обумовлена тим, що електростанції  виробляють енергію змінного струму.

 

2. Виклад нового матеріалу

2.1. Основні теоретичні відомості

Для початку згадаємо, що собою являє змінний електричний струм.

Змінний струм - електричний струм, сила та напрямок якого періодично змінюються з часом, на відміну від постійного струму, який тече лише в одному напрямку. Змінний струм є формою, в якій електроенергія постачається підприємствам і в житлові будинки. Він змінює свою амплітуду і полярність за синусоїдальним законом.

 

Радіотехнічні пристрої у більшості випадків живлять постійним струмом. Первинні промислові джерела живлення виробляють змінну напругу стандартного значення та частоти. Перетворення змінної напруги у постійну виконують за допомогою пристроїв вторинного живлення – випрямлячів.

Випрямляч – це електротехнічний пристрій, призначений для перетворення змінної напруги у постійну напругу з потрібними значеннями струму та коефіцієнта пульсацій.

Випрямляч, в залежності від його конструкції «відсікає», або «перевертає» одну з півхвиль  змінного струму, роблячи напрямок струму одностороннім.

Структурна схема випрямляча.

До його складу входять:

•     трансформатор Тр;
•     діодна група (безпосередньо випрямляч ( В);
•     фільтр для згладжування пульсацій (згладжуючий фільтр)Ф.

 

Трансформатор необхідний для зміни величини мережної напруги (напруги вхідного джерела) та для гальванічної розв’язки мережі з навантаженням.

 

Випрямляюча діодна група являє собою пристрій, який перетворює змінний струм у пульсуючий. В якості випрямляча змінної напруги застосовують нелінійні елементи, опір яких в одному напрямку суттєво відрізняється від опору в іншому напрямку протікання струму. Такими найбільш поширеними елементами є напівпровідникові діоди. В джерелах живлення радіоелектронних пристроїв частіше використовують германієві та кремнієві напівпровідникові діоди.

 

Згладжуючий фільтр – пристрій, який призначений для зменшення амплітуди змінної складової у випрямленій напрузі, іншими словами – пристрій для згладжування пульсацій випрямленої напруги.

Фільтри виконуються на реактивних елементах, які мають властивість накопичувати електричну енергію, а потім її віддавати: конденсаторах, дроселях. Такі фільтри називаються пасивними.

Для зручності ми будемо вважати, що випрямляємий електричний струм надходить з вторинної обмотки трансформатора. Адже навіть в наші квартири електричний струм в приходить з трансформатора понижувальної підстанції. Крім того, оскільки сила струму -  безпосередньо залежить від навантаження, то при розгляді схем випрямлення ми будемо оперувати не поняттям сили струму, а поняттям - напруга, амплітуда якого прямо не залежить від навантаження.

Вибір схеми випрямляча залежить від ряду чинників, які повинні враховуватися в залежності від вимог, що пред'являються до пристрою випрямляча. До них відносяться: випрямлена напруга і потужність; частота пульсації випрямленої напруги; число діодів; зворотна напруга на діоді; коефіцієнт використання потужності трансформатора.

За будовою схеми випрямлячів напруги можна поділити на однофазні та трифазні, однопівперіодні і двопівперіодні.

Однофазні випрямлячі.

Побутові електронні, радіотехнічні та електричні пристрої живляться в основному від однофазної електричної мережі, а отже і найбільшого поширення набули однофазні випрямлячі.

 

2.2. Однопівперіодний однофазний випрямляч. Принцип дії.

 

Схема і часова діаграма випрямлення змінного струму

 

Використовуючи односторонню провідність напівпровідникового діоду, струм у зворотному напрямку відтинається.

При встановленні на верхній частині вторинної обмотки трансформатора полярності "+", а на нижній "-"діод D відкривається і струм протікає від вторинної обмотки трансформатора через навантаження R. При зміні полярності напруги на первинній обмотці трансформатора — діод D закритий і струм через навантаження не протікає.

Перевагою однонапівперіодної схеми є те, що використовується лише один діод.

Недоліками даної схеми є малий ККД і велика пульсація напруги на схемі.

Струм навантаження є пульсуючим, частота пульсацій співпадає з частотою мережі. Тривалість імпульсів дорівнює половині періоду вхідної напруги. Таку ж форму має випрямлена напруга. Постійна складова випрямленого струму протікає через вторинну обмотку трансформатора і підмагнічує осердя, що є недоліком такої схеми випрямлення.

 

2.3. Двопівперіодний випрямляч з нульовим виводом на активне навантаження. Принцип дії.

Найбільш поширеними є однофазні двонапівперіодні випрямлячі. Існують дві схеми таких випрямлячів - мостова схема і балансна.

Розглянемо  балансну схему однофазного двонапівперіодного випрямляча (двопівперіодний зі середньою точкою).

На відміну від однофазного однопівперіодного випрямляча в однофазному випрямлячі з нульовим виводом струм у навантаженні протікає двічі за період у тому ж самому напрямку.

При встановленні на верхній частині вторинної обмотки трансформатора полярності "+", а на нижній "-" відкривається діод  D1  (D2 закритий) і струм протікає від вторинної обмотки через навантаження R. При зміні полярності на виводах вторинної обмотки трансформатора — діод  D2 відкритий (D1 закритий), струм проходить через навантаження R. При цьому зворотна напруга на діодах буде вдвічі більшою, ніж на навантаженні R.

Частота пульсації на навантаженні у двічі більша частоти мережі.

Середнє значення струму через вторинну обмотку трансформатора дорівнює нулю, отже осердя не підмагнічується

Двопівперіодний випрямляч застосовують в низьковольтних пристроях. У порівнянні з мостовим випрямлячем він дозволяє зменшувати вдвоє число діодів і тим самим зменшити витрати.

Недоліком випрямляча за цією схемою є неповне використання трансформатора — в кожен момент часу працює лише одна половина вторинної обмотки, а також подвійну витрату мідного дроту на вторинну обмотку.

2.4. Мостова однофазна двопівперіодна схема випрямляча. Принцип дії.

 

 

 

 

 

 

Для збільшення потужності випрямленого струму використовується мостова схема. Чотири діоди під'єднанні таким чином, що під час половини періоду працюють лише два з них, а під час наступної половини — два інші, даючи корисний струм в тому ж напрямку.

При встановленні на верхній частині вторинної обмотки трансформатора полярності "+", а на нижній "-" струм від вторинної обмотки протікає по колу D1, R, D4. При зміні полярності на виводах вторинної обмотки трансформатора — по колу D3, R, D2.

Перевагою мостового однофазного мостового випрямляча є те, що у цієї схеми вдвічі менша зворотна  напруга на діоді, порівняно зі схемою з нульовим виводом та високий коефіцієнт використання потужності трансформатора.

Недоліком схеми є необхідність застосування чотирьох діодів що призводить до підвищених втрат в них і більшому падінню напруги у випрямлячі.

 

3. Закріплення нового матеріалу

Учням дається можливість на кожному етапі засвоєння нових знань продемонструвати своє розуміння щодо теми, яка вивчається (завдання на випередження накреслити схему, пояснити принцип дії тощо).

Варіант пропонованих завдань на випередження:

1. Накреслити діод, вказати напрям проходження прямого струму.
2. Накреслити трансформатор з однією вторинною обмоткою.
3. Накреслити однопівперіодний випрямляч, вказати напрям проходження струму та форму струму після проходження через діод.
4. Накреслити схему трансформатора з вторинною обмоткою яка складається з двох пів обмоток.
5. Як необхідно ввімкнути діоди до цих обмоток щоб струм постійно протікав через середній вивід цих обмоток. Яки вигляд матиме графік струму в цій схемі?
6. Як необхідно ввімкнути діоди, щоб струм постійно протікав через навантаження?

 

Питання для закріплення нового матеріалу:

1. Який пристрій називають випрямлячем?

2. Назвіть структурну схему випрямляча, поясніть призначення кожного елементу схеми.

3. Які схеми випрямлячів ви сьогодні вивчили?

4. Яка схема випрямляча найкраще випрямляє змінний струм.

 

4. Виконання практичного заняття.

4.1. Креслення схеми блоку живлення учнями 1-гороку навчання.

4.2. Складання та виготовлення друкованих плат електронних пристроїв згідно власних проектів учнями старших років навчання.

4.3.Інструктаж з ТБ перед виконанням практичних робіт. Електробезпека при роботі з виготовленими пристроями, які живляться від напруги 220В.; ТБ при роботі на свердлильному верстаті; санітарно - гігієнічні вимоги під час виготовлення друкованих плат; ТБ та ПБ при виконанні монтажу.

4.4.Виконання учнями практичних робіт. Монтаж радіоелектронних компонентів на платах розпочатих на попередніх заняттях. Контроль за роботою учнів; матеріальне забезпечення; допомога в роботі.

5. Підведення підсумків заняття.

Підведення підсумку обговорення питань, аналіз відповідей, ідей, рівень і якість самостійної роботи на занятті. Рекомендації для покращення засвоєння теми, яка вивчається.

Аналіз виконання практичних робіт. Визначення необхідного матеріально-технічного забезпечення виконання практичних робіт учнями на наступному занятті.

 

Керівник гуртка   Б. Смичок