Эксперимент с полуволновым выпрямителем: Сборка, измерение и моделирование простой AC-DC моторной схемы

Обзор

В этой практической лабораторной работе вы соберете полуволновый выпрямитель, преобразующий низковольтное переменное напряжение в сигнал со смещением постоянного тока для привода малого постоянного магнита. Вы научитесь измерять полученное постоянное смещение и пульсации напряжения, слушать пульсации аудиодетектором и верифицировать поведение SPICE-симуляцией.

Детали и материалы

• Низковольтный источник переменного тока (6-вольтовый выход)
• 6-вольтовый аккумулятор
• Один выпрямительный диод 1N4001 (или любой диод серии 1N400X)
• Малый хоббийный мотор постоянного магнита (например, Radio Shack #273-223)
• Аудиодетектор с наушниками
• Связывающий конденсатор 0,1 мкФ (например, Radio Shack #272-135)

Конденсатор 0,1 мкФ связывает аудиодетектор со схемой так, что только переменная составляющая достигает детектора. Точное значение не критично; мы успешно использовали от 0,27 мкФ до 0,015 мкФ. Меньшее значение аттенюет низкочастотное содержимое, снижая громкость в наушниках, поэтому выбирайте большее значение, если тон слаб.

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapter 3: «Diodes and Rectifiers».

Цели обучения

• Понять роль диода как выпрямителя
• Сравнить работу мотора от переменного и постоянного тока
• Измерить напряжение пульсаций цифровым вольтметром

Схема

Иллюстрация

Инструкции

1. Подключите мотор к 6-вольтовому источнику переменного тока через выпрямительный диод, как показано на схеме. Диод пропускает ток только во время положительной полуволны, создавая пульсирующий постоянный ток, который вращает мотор в одном направлении.
2. Мгновенно замкните клеммы мотора перемычкой, чтобы наблюдать эффект пропускания полной волны переменного тока к мотору. Мотор остановится или будет работать плохо.
3. Уберите перемычку и переверните ориентацию диода. Наблюдайте за изменением поведения мотора; мотор теперь должен плавно вращаться в противоположном направлении.
4. Измерьте постоянное напряжение на клеммах мотора вольтметром в режиме DC. Это показание отражает среднее смещение полуволнового выпрямленного сигнала.
5. Переключите прибор на AC для измерения напряжения пульсаций. Показание представляет наложенную переменную составляющую на постоянном смещении. Типичные значения для 6-вольтового источника с нагрузкой 10 кОм составляют около 3–4 В пик-пик.
6. Сравните эти показания с теми, полученными при питании мотора от 6-вольтового аккумулятора. Аккумулятор должен давать почти чистое постоянное напряжение с пренебрежимыми пульсациями; любое измеренное AC будет вызвано действием коллектора мотора.

Прослушивание пульсаций с аудиодетектором

Установите чувствительность детектора на низкую настройку и подключите его к клеммам мотора через конденсатор 0,1 мкФ. Конденсатор действует как высокочастотный фильтр, блокируя постоянный ток и позволяя слышать переменные пульсации.

С аккумулятором детектор издаст высокочастотный жужжание. Замена аккумулятора на источник переменного тока с выпрямителем понизит тональность, отражая полуволновую природу выпрямленного сигнала.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Нетлист (скопируйте в текстовый файл):

Halfwave rectifier
v1 1 0 sin(0 8.485 60 0 0)
rload 2 0 10k
d1 1 2 mod1
.model mod1 d
.tran .5m 25m
.plot tran v(1,0) v(2,0)
.end

Симуляция показывает входную синусоиду и выход как серию положительных «горбов». Источник переменного тока задан как 8,485 В пик для соответствия 6-вольтовой RMS синусоиде.

Связанный рабочий лист

• Precise Diode Circuits Worksheet