Исследование выпрямителей, фильтров и стабилизаторов напряжения и тока, преобразователей переменного и постоянного токов и электропреобразовательных устройств переменного тока

В.Д. Мещеряков, В.Д. Шашурин, М.С. Селезнева 

Исследование выпрямителей, фильтров 
и стабилизаторов напряжения и тока, 

преобразователей переменного и постоянного 
токов и электропреобразовательных устройств 
переменного тока

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.3
ББК 32.85
        М56

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6972/ 

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»
Кафедра «Технологии приборостроения»

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Мещеряков, В. Д. 
Исследование выпрямителей, фильтров и стабилизаторов напряжения 
и тока, преобразователей переменного и постоянного токов и электропре
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. — 78, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5528-7

Издание содержит методические указания для выполнения лабораторного 
практикума, состоящего из трех комплексных лабораторных работ, в которых решаются 11 различных задач, разделенных по трем темам. Приведенные материалы 
соответствуют программам дисциплин «Эксплуатация, диагностика и ремонт РЭС» 
и «Электропреобразовательные устройства РЭС». Рассмотрены основные методы 
расчета выпрямителей, стабилизаторов, трансформаторов, импульсных и вторичных 
источников питания. Практическая часть посвящена проектированию и исследованию разрабатываемых схем в САПР Multisim (программный продукт подразделения Electronics Workbench Group компании National Instruments).
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплины «Эксплуа- 
тация, диагностика и ремонт РЭС» и «Электропреобразовательные устройства 
РЭС», также может быть рекомендовано для самостоятельного изучения САПР 
Multisim применительно к проектированию различных электрических схем.

УДК 621.3
ББК 32.85

ISBN 978-5-7038-5528-7

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

М56

образовательных устройств переменного тока : учебно-методическое пособие / В. Д. Мещеряков, В. Д. Шашурин, М.С. Селезнева. — Москва :  

Предисловие

Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к лабораторным работам в соответствии с учебными программами дисциплин «Эксплуатация, диагностика и ремонт РЭС» и «Электропреобразовательные устройства РЭС» согласно учебному плану МГТУ  
им. Н.Э. Баумана по направлениям подготовки (специальностям) 11.05.01 
«Радиоэлектронные системы и комплексы» и 27.03.04 «Управление в технических системах».
Пособие содержит методические указания к лабораторному практикуму, 
состоящему из трех тематических лабораторных работ, в которых решаются 
11 различных задач. Лабораторные работы рассчитаны на выполнение в течение 17 аудиторных часов.
В процессе выполнения лабораторных работ студенты закрепляют теоретические знания, получают дополнительные навыки в проектировании схем 
в САПР Multisim, изучают оборудование для измерения параметров и характеристик электрических цепей. Достижение поставленных целей и эффективное решение задач, приведенных в лабораторных работах, предполагают 
предварительное изучение дисциплин «Основы теории цепей», «Основы 
электротехники», «Схемотехнические решения РЭС».
В каждой лабораторной работе приведены описание задачи и методика 
ее решения.
Итоги работ оформляются в форме индивидуальных отчетов, которые 
необходимо защитить при собеседовании с преподавателем. Контрольные 
вопросы, приведенные в пособии, помогают подготовиться к защите лабораторных работ. 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. Исследование выпрямителей, 
фильтров и стабилизаторов напряжения и тока

Работа № 1.1. Исследование управляемых и неуправляемых выпрямителей

Цель работы — изучение методов и приобретение навыков расчета и исследования неуправляемых и управляемых выпрямителей, закрепление теоретических знаний в САПР Multisim.

1.1.1. Теоретическая часть

Выпрямители – источники вторичного питания, реализующие статический 
метод преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного 
тока. 
Схема любого выпрямителя содержит три основных элемента.
1. Силовой трансформатор — устройство для понижения или повышения 
напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой;
2. Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость, служит для преобразования переменного напряжения в пульсирующее переменное напряжение.
3. Фильтр — устройство для сглаживания пульсирующего напряжения.
1. По управлению выходным напряжением различают управляемые и неуправляемые выпрямители. В неуправляемых выпрямителях в качестве вентилей 
используются диоды. Выходное напряжение таких выпрямителей регулировать невозможно. В управляемых выпрямителях сопротивление нелинейного элемента зависит не только от полярности напряжения, но и от управляющих сигналов. В качестве вентилей в таких выпрямителях используются 
тиристоры либо комбинации тиристоров и диодов.
2. По форме напряжения на выходе выпрямителя различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. Однополупериодным называется 
выпрямитель, выходное напряжение которого соответствует только одному 
полупериоду входного напряжения. Выпрямитель, выходное напряжение 
которого соответствует положительному и отрицательному полупериодам 
входного напряжения, называется двухполупериодным.
3. По числу фаз входного напряжения на входе выпрямители могут быть 
однофазными, трехфазными или многофазными. Соответственно различают 
одно-, трех- и многофазные выпрямители. 

Ниже приведены схемы и характеристики управляемых и неуправляемых 
выпрямителей. 

Неуправляемый выпрямитель рассмотрим на примере однофазной двухтактной (мостовой) схемы. Однофазная мостовая схема характеризуется высоким коэффициентом использования мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при 
значениях выходного напряжения от десятков до сотен вольт (рис. 1.1).

Принципиальная однофазная двухтактная (мостовая) схема выпрямителя 
без нагрузки представлена на рис. 1.2. 
Различные типы нагрузки мостовой схемы выпрямителя приведены на 
рис. 1.3, графики изменения напряжений и токов мостовых схем выпрямителей с нагрузками различных типов — на рис. 1.4.

Управляемые выпрямители рассмотрим на примере схемы однофазного 
выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (рис. 1.5, а). В качестве вентилей в выпрямителе использованы тиристоры VS1 и VS2.
В данной схеме реализуется двухполупериодное выпрямление путем однополупериодного выпрямления двух противофазных переменных напряжений 
и сохраняются преимущества мостовой схемы.

Рис. 1.1. Принципиальная схема однофазной 
двухтактной (мостовой) схемы выпрямителя:
i1, i2 и u1, u2 — токи и напряжения в первичной и вторичной обмотках; VD1–VD4 — вентили; Rн — сопротивление 
нагрузки

Рис. 1.2. Принципиальная схема однофазной двухтактной (мостовой) схемы 
выпрямителя (без нагрузки)

Рис. 1.3. Типы нагрузок мостовой 
схемы выпрямителя:
а — активная; б — активно-емкостная

При низких значениях выходного напряжения эффективнее схема со 
средней точкой трансформатора, а при больших — мостовая схема выпрямителя.
При указанной на рис. 1.5, а полярности вторичного напряжения u2 
трансформатора Tр тиристор VS1 может пропускать ток iн при условии, что 
на его управляющий электрод поступит сигнал управления Iy1. Этот сигнал 
подают со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол α, называемый углом управления (рис. 1.5, б). Другими словами, 
угол управления α — это время задержки отпирания тиристоров (выражается в электрических градусах) относительно момента естественного отпирания.
Электрический градус — единица фазы и разности фаз, используемая  
в электротехнике, представляет собой промежуток времени. Один электрический градус равен промежутку времени, составляющему 1/360 перио
Рис. 1.4. Графики изменения напряжений и токов мостовых схем выпрямителей  
с активной (а) и активно-емкостной (б) нагрузками 

Рис. 1.5. Схема однофазного выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (а), 
изменение напряжения на нагрузке этой схемы (б) и ее регулировочная характеристика (в)

да переменного тока. Так, при частоте переменного тока, равной 50 Гц, 

электрический градус соответствует 
1

50 360
55 6
⋅
≈
,
 мкс.

Например, если задержка управляющего импульса составляет 2 мс, то

 α =
=
=
≈
°
2
55 6
2000
55 6
35 97
36
мс
мкс
мкс
мкс
,
,
,
.
°

Моментом естественного отпирания тиристора называют момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (при 
α = 0).

1.1.2. Практическая часть. Задание на выполнение

Для реализации поставленных задач необходимо воспользоваться САПР 
Multisim, представляющей собой профессиональную и образовательную 
среду схемотехнического проектирования. САПР Multisim — это редактор 
схем и приложение для их симуляции, входящее в систему разработки электрических схем, систему средств EDA (Electronics Design Automation). В данном 
практикуме все схемы моделировались в САПР Multisim 12.

Моделирование неуправляемого выпрямителя

1. Используя возможности САПР Multisim 12, собрать схему мостового 
выпрямителя, представленную на рис. 1.6.
Этапы выполнения задания приведены ниже.
1.1. Запустить САПР Multisim, после чего откроется программа с пустым 
окном (рис. 1.7).
1.2. При необходимости сохранить программу в желаемую директорию 
компьютера или на внешний носитель, чтобы избежать в будущем потери 
данных.

Рис. 1.6. Схема мостового выпрямителя  
с активной нагрузкой в САПР Multisim 12

1.3. На верхней панели выбрать 
вкладку «Place» -> «Component», чтобы 
открыть окно выбора компонента  
(рис. 1.8). То же самое окно можно вызвать комбинацией клавиш «Ctrl + W».
1.4. В открывшемся окне найти необходимые компоненты (рис. 1.9) в соответствующих разделах и нажать на 
кнопку «ОК», а затем размещать элементы на рабочем пространстве, нажимая на левую кнопку мыши (ЛКМ). Под 
надписью «Database» («База данных») 
выбрать параметр «Master Data-base» и 
оставить параметр неизменным при выборе компонентов в ходе данной работы. 
Порядок определения компонентов:
 •
источник переменного тока 
«AC_POWER» найти в группе («Group») 
под названием «Sources», в семействе 
(«Family») «POWER_SOURCES»;

 • трансформатор «1P1S» — в группе («Group») «Basic», в семействе 
(«Family») «TRANSFORMER»;

 • диод «1N1202C» — в группе («Group») «Diodes», в семействе («Family») 
«DIODE»;

 • резистор «10» (10Ω) — в группе («Group») «Basic», в семействе («Family») 
«RESISTOR»;

Рис. 1.7. Среда Multisim 12

Рис. 1.8. Вызов окна выбора компонента 
среде Multisim 12

Рис. 1.9. Окно выбора компонентов в Multisim 12

Рис. 1.10. Окно программы после размещения компонентов

• землю «GROUND» — в группе («Group») 
«Sources», в семействе («Family») «POWER_
SOURCES».
Для более быстрого доступа к компонентам и их размещения эти компоненты при 
желании можно находить на верхней панели 
компонентов в основном окне программы 
(рис. 1.10). 
1.5. На следующем этапе необходимо 
щелкнуть дважды ЛКМ на те компоненты, 
параметры которых отличаются от указанных 
на рис. 1.6, поскольку программа, как правило, устанавливает значения параметров 
компонентов по умолчанию, если речь не 
идет о конкретном компоненте с фиксированным номиналом. 
1.6. Затем необходимо рационально расположить компоненты и соединить их 
между собой. 
Для того чтобы соединить компоненты 
между собой, следует навести курсор мыши 
на вывод необходимого компонента, и как 
только курсор примет вид окружности малого радиуса, нажать один раз на ЛКМ и отпустить, а затем перенести мышь на вывод того компонента, с которым  
необходимо соединить текущий компонент. Затем, как только в месте соединения появится красная окружность, т. е. узел, нажать единожды на ЛКМ. 
По такой же схеме осуществить соединение всех компонентов. 
Для вращения компонентов необходимо навести мышь на компонент и, 
нажав на ЛКМ, выделить его штриховым прямоугольником, а затем нажать 
на правую кнопку мыши (ПКМ); или же навести на компонент и, нажав на 
ПКМ, выбрать «Rotate 90° clockwise» (рис. 1.11), чтобы повернуть компонент 
по ходу часовой стрелки , либо выбрать «Rotate 90° counter clockwise», чтобы 
повернуть компонент против хода часовой стрелки.
1.7. В результате получаем схему, представленную на рис. 1.6.
2. Снять осциллограммы напряжения на вторичной обмотке трансформатора, на нагрузке, используя четырехканальный осциллограф, а также 
измерить значения выпрямленного напряжения и тока, используя мультиметр.
Четырехканальный осциллограф можно найти в правой части окна программы, на панели измерительных приборов (рис. 1.12). Для размещения 
четырехканального осциллографа на рабочем пространстве чертежа, необходимо щелкнуть ЛКМ на данное измерительное устройство на боковой панели, а затем перевести курсор мыши в свободное место на рабочем пространстве чертежа и разместить измерительный прибор, нажав на ЛКМ.

Рис. 1.11. Окно дополнительных 
опций компонентов схемы