BADANIE UKŁADÓW PROSTUJĄCYCH PRĄD PRZEMIENNY

Ćwiczenie E-5
BADANIE UKŁADÓW PROSTUJĄCYCH PRĄD
PRZEMIENNY
I.
Cel ćwiczenia: pomiar podstawowych parametrów prostownika jedno- i dwupołówkowego
oraz najprostszych filtrów.
II. Przyrządy:
płytka montażowa, woltomierz magnetoelektryczny, woltomierz elektrodynamiczny lub elektromagnetyczny, oscyloskop.
III. Literatura:
1. E. Norman Lurch, Podstawy techniki elektronicznej, Warszawa 1965.
2. R. Śledziewski, Elektronika dla fizyków, Warszawa 1978.
IV. Wprowadzenie
Źródłami napięć stałych w urządzeniach stacjonarnych są tzw. zasilacze stabilizowane.
Uproszczony schemat blokowy takiego zasilacza przedstawia rys.1.
~230V
P
T
F
S
wyjście
Rys. 1 Schemat blokowy zasilacza stabilizowanego: T – transformator, P – prostownik, F – filtr,
S – układ stabilizacji regulacji napięcia wyjściowego.
Transformator T obniża (najczęściej) napięcie sieci 230V, a prostownik P zamienia prąd przemienny w prąd zmienny płynący wyłącznie w jednym kierunku (prąd pulsujący). Filtr F „wygładza” prąd zmienny i na jego wyjściu, o ile jest to filtr o dużej efektywności, otrzymujemy napięcie
praktycznie stałe w czasie. Niewielkie zmiany okresowe tego napięcia nazywamy tętnieniami.
Zadaniem układu stabilizacji jest automatyczne utrzymanie stałej wartości napięcia wyjściowego
niezależnie od zmian (w pewnych granicach) napięcia sieci.
IV.1. Składowa stała, składowa zmienna i współczynnik tętnień.
Oznaczmy przez U(t) wartość napięcia w chwili t na wyjściu prostownika lub filtru. Wartością średnią lub składową stałą napięcia wyjściowego U(t) nazywamy wartość wyrażenia
T
U=
1
U(t )dt
T ∫0
(1)
gdzie T jest okresem funkcji U(t).
Napięcie Ut(t), którego wartość w danej chwili t równa jest różnicy wartości chwilowej napięcia wyjściowego U(t) i wartości średniej napięcia wyjściowego U
U t (t ) = U (t ) − U
(2)
nazywamy składową zmienną napięcia wyjściowego.
Współczynnikiem tętnień nazywamy stosunek wartości skutecznej składowej zmiennej do
wartości składowej stałej
U
k = t ,sk
(3)
U
1
I PRACOWNIA FIZYCZNA
Ćwiczenie E-5
T
U t ,sk =
gdzie
1
U t (t )dt
T ∫0
(4)
Współczynnik tętnień k jest miarą efektywności filtru.
Wartości skuteczne napięcia wyjściowego i składowej zmiennej spełniają zależność
U sk2 = U 2 + U t2, sk
(5)
Zależność (5) wynika z definicji wartości skutecznej i średniej. [W literaturze można spotkać
oznaczenie wartości skutecznej indeksem RMS (URMS). Jest to skrót angielskiego terminu „średni
pierwiastek kwadratowy”.]
IV.2. Prostownik jednopołówkowy (półfalowy) i dwupołówkowy.
Prostownik jednopołówkowy.
Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda półprzewodnikowa, przez którą zaczyna
płynąć prąd w kierunku przewodzenia, gdy różnica potencjałów między wyprowadzeniami elektrycznymi obszarów "p" i "n" półprzewodnika staje się większa od napięcia dyfuzyjnego Ud niespolaryzowanego zewnętrznym napięciem złącza p-n.
W momencie, gdy różnica potencjałów ponownie osiąga wartość napięcia dyfuzyjnego Ud , w
obwodzie przestaje płynąć prąd w kierunku przewodzenia. Po obniżeniu się napięcia poniżej wartości Ud przez złącze płynie prąd w kierunku zaporowym, ale natężenie tego prądu jest mniejsze
od natężenia prądu przewodzenia o kilka rzędów wielkości. Amplituda napięcia przemiennego w
takim obwodzie musi być mniejsza od wartości bezwzględnej napięcia przebicia lawinowego diody. Schemat prostownika jednopołówkowego przedstawia rys.2a.
∼
Uwe
R
∼
U(t)
Uwe
R
U(t)
b)
a)
Uwe
∼
R U(t)
Uwe
c)
Rys. 2 Prostownik: a) jednopołówkowy, b) dwupołówkowy w układzie mostkowym (Graetza),
c) dwupołówkowy z dzielonym uzwojeniem transformatora.
2
I PRACOWNIA FIZYCZNA
Ćwiczenie E-5
Dla idealnego prostownika o zerowym oporze elektrycznym w stanie przewodzenia i nieskończonym oporze w stanie spolaryzowania zaporowego oraz przy założeniu, że Ud jest bardzo małe
(Ud = 0) napięcie wyjściowe U(t) będzie równe
U(t ) = U o sin (ωt )
dla U we (t ) > 0
i
(6)
U (t ) = 0
dla U we (t ) < 0 .
Przebieg napięcia na wyjściu prostownika jednopołówkowego przedstawia rys.3a.
U
a)
Usk
Uo
U
1
2
T
T
3
2
T
2T
T
3
2
T
2T
t
U
b)
1
2
T
t
Rys. 3 Napięcie wyjściowe z prostownika jednopołówkowego a) i dwupołówkowego b).
Wartość średnia przedstawionego napięcia na rys.3a wynosi
T
U
U
U = o ∫ sin ωtdt = o ,
π
T 0
(7)
zaś wartość skuteczna
T
U sk =
U o2
U
sin 2 ωtdt = o ,
∫
T 0
2
(8)
gdzie T jest okresem napięcia przemiennego a Uo amplitudą.
[Dla napięcia przemiennego sinusoidalnego wartość skuteczna jest równa Uo/ 2 , natomiast wartość średnia wynosi zero].
Prostownik dwupołówkowy.
Zasadniczą wadą prostownika jednopołówkowego jest to, że przewodzi on co najwyżej w czasie
połowy okresu napięcia przemiennego. Wady tej pozbawiony jest prostownik dwupołówkowy,
przedstawiony na rysunku 2b i 2c. Dla idealnych elementów prostujących wartość średnia napięcia pulsującego na wyjściu prostownika dwupołówkowego jest równa
2U o
U=
(9)
π
a wartość skuteczna
3
I PRACOWNIA FIZYCZNA
Ćwiczenie E-5
Uo
(10)
2
Przebieg U(t) pokazany na rysunku 4c reprezentuje wypadkowy przebieg napięcia na wyjściu
prostownika jednopołówkowego; Ut jest składową zmienną (rys.4b), U jest składową stałą
(rys.4a) tego napięcia zmiennego.
U sk =
U
a)
U
0
t
Ut
T
Ut
b)
0
t
U(t)
U(t)
c)
0
1
2
3
2
T
T
T
2T
t
Rys.4 Nakładanie się napięcia zmiennego i stałego na wyjściu prostownika.
Skorzystajmy z zależności (5) i obliczymy Ut, sk tętnień
U t2, sk = U sk2 − U 2
gdzie Usk jest wartością skuteczną napięcia U(t) na wyjściu prostownika lub filtru.
W przypadku prostownika jednopołówkowego mamy
2
2
U  U 
U 2t , sk =  o  −  o 
 2   π 
1 1
U t , sk = U o
−
= 0,386U o
4 π2
U
0,386U o
k pr = t , sk =
= 1,21
U
0,318U o
kpr jest współczynnikiem tętnień prostownika.
Dla prostownika dwupołówkowego mamy
1 4
U t , sk = U o
−
= 0,307 U o
2 π2
4
I PRACOWNIA FIZYCZNA
Ćwiczenie E-5
k pr =
U t , sk
= 0,482
U
Te same zależności uzyskać możemy z definicji wartości skutecznej (3). Np. przebieg składowej
zmiennej na rysunku 4b dany jest funkcją
T
U t = U o sin ωt − U o
dla 0 < t <
2
T
U t = −U
dla
<t<T
2
T 2
1
T
2
U 2t , sk =  ∫ (U o sin ωt − U ) + U 2 
T  0
2 
Wykonując całkowanie otrzymamy
1 1
U t , sk =
−
U o = 0,386U o
4 π2
Tabela I zawiera charakterystyczne parametry obu prostowników.
Tabela I
Rodzaj prostownika
Uo
π
2U o
π
Prostownik jednopołówkowy
Prostownik dwupołówkowy
k pr =
U t, sk
U
U t , sk
U
0,386Uo
1,21
0,307Uo
0,482
IV.3 Filtry.
Jak wspomniano we wprowadzeniu, do zmniejszania tętnień napięcia wyjściowego służą filtry
Tabela II
Współczynnik tętnień
Jednostki
Filtr C
•
Ω, µF, H
L
R
C
Filtr LC
•
C
•
•
typu π
Filtr LC
•
L
R
•
C1
R
C2
∼
2,88
⋅ 10 3
RC
1,19
LC
27,5
⋅ 10 3
LC1C 2 R
∼
1,44
⋅ 10 3
RC
0,297
LC
3,45
⋅ 10 3
LC1C 2 R
Jeżeli współczynnik tętnień prostownika wynosi kpr, a współczynnik tętnień filtru ma wartość kfil,
wówczas sumaryczny współczynnik tętnień k jest równy
5
I PRACOWNIA FIZYCZNA
Ćwiczenie E-5
k = k pr ⋅ k fil
Tabela II zawiera teoretyczne współczynniki tętnień, obliczone dla współpracy prostowników
jedno- i dwupołówkowych z wyszczególnionymi rodzajami filtrów.
Najpełniejszy obraz pracy prostownika wraz z filtrem uzyskamy posługując się oscyloskopem. Jeżeli wyjście układu prostującego połączymy z wejściem zmiennoprądowym (oznaczane
przez "~" lub "AC" ) oscyloskopu, to na ekranie otrzymamy wykres wyłącznie składowej zmiennej, gdyż kondensator C, włączony między gniazdo wejściowe a wzmacniacz odchylania pionowego Y (patrz instrukcja „Podstawowe mierniki elektryczne i elektroniczne”) „odetnie” składową
stałą, co ilustruje rys.5a.
U
U
U
0
0
t
t
a
b
Rys. 5 Napięcie na wyjściu układu prostującego obserwowane na oscyloskopie z wejściem
zmiennoprądowym „~” a) i z wejściem stałoprądowym „=” b).
Przełączając wejście zmiennoprądowe na stałoprądowe (oznaczane przez „=” lub „DC”) obserwujemy przesunięcie wykresu składowej zmiennej o odcinek odpowiadający składowej stałej,
czyli wartości średniej napięcia wyjściowego badanego układu (rys.5b). Zmiana rodzaju wejścia
oscyloskopu polega na zwarciu ze sobą okładek kondensatora szeregowego w torze odchylania
pionowego oscyloskopu. Rys.6 przedstawia napięcie źródła prądu stałego Uo obserwowane na
oscyloskopie o wejściu „AC” a) i wejściu „DC” b).
U
U
Uo
0
0
t
a
t
b
Rys. 6 Napięcie źródła prądu stałego Uo obserwowane na oscyloskopie o wejściu „AC” a) i wejściu „DC” b).
W przeciwieństwie do oscyloskopu różne typy woltomierzy analogowych będą wskazywały różne
wartości napięcia na wyjściu układu prostującego. I tak woltomierz magnetoelektryczny, przeznaczony do pomiarów napięć stałych, a więc nie wyposażony w prostownik, wskaże wartość składowej stałej. Stanie się tak w przypadku, gdy okres zmian napięcia będzie znacznie krótszy od
okresu drgań własnych uzwojenia ruchomego (0,4 - 2 s). Woltomierz elektrodynamiczny wskaże
z kolei wartość skuteczną napięcia wyjściowego, a w przypadku napięcia stałego poprawną jego
6
I PRACOWNIA FIZYCZNA
Ćwiczenie E-5
wartość. Również niektóre z woltomierzy elektromagnetycznych mierzą poprawnie zarówno napięcia stałe, jak i zmienne o niezbyt wysokich częstościach.
V. Pomiary
1. Do źródła prądu stałego 10 − 12V dołączyć równolegle woltomierz magnetoelektryczny, woltomierz elektrodynamiczny lub elektromagnetyczny i oscyloskop (rys.7). Wyznaczyć wartość
napięcia wskazywaną przez każdy z tych przyrządów.
symbol przyrządu magnetoelektrycznego
symbol przyrządu elektromagnetycznego
symbol przyrządu elektrodynamicznego
oscyloskop
V2
CH I (CH II)
V1
+
_
10 ÷ 12V
Rys. 7 Połączenie woltomierzy magnetoelektrycznego (V1) i elektromagnetycznego (V2) oraz
oscyloskopu równolegle do zasilacza prądu stałego.
2. Do wtórnego uzwojenia transformatora sieciowego płytki montażowej dołączyć równolegle
oba woltomierze i oscyloskop (źródło napięcia stałego z rys.7 zastąpić transformatorem sieciowym). Wyznaczyć: średnią wartość napięcia (woltomierzem magnetoelektrycznym i oscyloskopem), wartość skuteczną (obu woltomierzami i oscyloskopem) i amplitudę.
3. Połączyć przyrządy wg schematu przedstawionego na rys.8. Wykonać te same pomiary co poprzednio, a następnie powtórzyć je dla prostownika dwupołówkowego. Wyniki z punktów 1, 2,
3 zebrać w tabeli III.
We Y oscyloskopu
(kanał CH I lub CH II)
∼230V
10kΩ
Ω
V1
7
V2
Rys. 8
I PRACOWNIA FIZYCZNA
Ćwiczenie E-5
Tabela III
Oscyloskop
Amplituda
Skład. stała
Uo [V]
U [V]
Miernik
Magnetoelektrycz.
Obliczona
Wartość
U sk [V ]
=
∼
Miernik
elektromag.
Wartość
skuteczna
U sk [V ]
Zasilacz napięcia
stałego 10÷
÷12V
Napięcie z uzwojenia wtórnego
Prostownik
jednopołówkowy
Prostownik
dwupołówkowy
4. Za pomocą oscyloskopu zmierzyć wartość składowej stałej (zanotować w tabeli III). Naszkicować (i zaznaczyć mierzone wielkości) zależność składowej zmiennej od czasu na wyjściu
kilku filtrów (tabela II) dołączonych do wyjścia prostownika jedno- i dwupołówkowego. Pomiary te stanowić będą podstawę do wyznaczenia wartości współczynników tętnień.
VI. Opracowanie wyników.
1. Porównać wyniki pomiarów tego samego napięcia stałego i przemiennego, wykonanych obu
woltomierzami oraz oscyloskopem. W przypadku, gdy wyniki różnią się bardziej, niż wynikałoby to z klas przyrządów - uznać woltomierz elektrodynamiczny (elektromagnetyczny) za
przyrząd wzorcowy i obliczyć współczynnik skali dla pozostałych przyrządów:
U
c= w
Um
gdzie Uw – napięcie zmierzone przyrządem wzorcowym,
Um napięcie zmierzone danym miernikiem.
Następnie obliczyć poprawione wartości pozostałych pomiarów wykonanych tymi przyrządami:
wartość poprawiona = współczynnik c × wartość zmierzona
2. Porównać wyniki pomiarów składowej stałej i zmiennej napięcia na wyjściu prostownika jedno
i dwupołówkowego. Ocenić, przy jakich rodzajach napięcia zmiennego woltomierz magnetoelektryczny z prostownikiem mierzy poprawnie wartość skuteczną.
3. Obliczyć doświadczalne wartości współczynników tętnień k = U sk /U (patrz rozdz. VII) dla
obu prostowników i wszystkich zbadanych filtrów. Wyniki obliczeń porównać z przybliżonymi wartościami teoretycznymi, wynikającymi z przytoczonych w tablicy II wzorów.
4. Przeprowadzić dyskusję wyników.
8
I PRACOWNIA FIZYCZNA
Ćwiczenie E-5
VII. Uzupełnienie.
Napięcie składowej zmiennej na wyjściu układu prostującego prąd przemienny, można z wystarczającą dla celów praktycznych dokładnością, przedstawić w postaci przebiegu „trójkątnego”
(rys.9).
U
U
U1
T
U1
0
t1
t2
0
t
T
t1
t3
t2
t4
t
U2
U2
a)
b)
Rys. 9
Wartość skuteczna tak zmieniającego się w czasie napięcia dana jest następującym wzorem:
U sk2 =
U12 ⋅ t1 U 22 t 2 − t1
+
⋅
3⋅ t2
3
t2
dla przebiegu z rysunku 9a
i
U 22 ⋅ t1 U12 t 2 − t1 U12 t 3 − t 2 U 22 t 4 − t 3
+
⋅
+
⋅
+
⋅
U =
3⋅ t4
3
t4
3
t4
3
t4
2
sk
9
dla przebiegu z rys.9b.
I PRACOWNIA FIZYCZNA