2. Badanie układów prostowniczych

Badanie diodowych układów prostowniczych
1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem podstawowych układów
prostowniczych.
2. Wprowadzenie
Dioda jako prostownik
Jednym z najczęstszych i najprostszych zastosowań diody jest wykorzystanie jej jako
prostownika. Prostownik zamienia prąd przemienny na prąd jednokierunkowy. Często o
diodach mówi się "prostownik" mając na myśli takie właśnie zastosowanie.
Prostownik jednopołówkowy
Na rys. 1 przedstawiony jest najprostszy układ prostownika. Ug jest źródłem napięcia
przemiennego, a RL jest rezystancją reprezentującą obciążenie prostownika. W tym
przypadku źródłem napięcia wejściowego Ug jest napięcie zmienne, które jest obniżane na
transformatorze sieciowym i podawane na diodę D. Tak więc dla wejściowego napięcia
sinusoidalnego o amplitudzie zdecydowanie większej od napięcia przewodzenia diody (0.6V)
napięcie na obciążeniu UL wygląda tak jak na rys. 2. Przez diodę przedostają się tylko
dodatnie połówki sinusoidy, gdyż wówczas na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na
katodzie i dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (oczywiście wtedy gdy
Ug>0.6V). Jest to prostownik jednopołówkowy. Napięcie UL występuje jedynie przez połowę
okresu napięcia wejściowego Ug.
Rys. 1. Prostownik jednopołówkowy
Rys. 2. Przebiegi na prostowniku
jednopołówkowym
Prostownik dwupołówkowy
Na rys. 3 przedstawiony jest układ prostownika dwupołówkowego mostkowego. Tak zwany
mostek złożony jest z diod D1, D2, D3, D4. Przebiegi napięcia wejściowego Ug
i wyjściowego UL przedstawione są na rys. 4. Dla dodatniej połówki sinusoidy sygnału
wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL, dalej
poprzez diodę D3 do źródła Ug. Następnie dla połówki ujemnej prąd (strzałki niebieskie)
popłynie poprzez diodę D2 do obciążenia RL jak widać zachowując ten sam kierunek
przepływu prądu przez obciążenie jak dla połówki dodatniej, a następnie poprzez diodę D4 z
powrotem do źródła Ug. W efekcie na wyjściu układu otrzymamy napięcie wyprostowane
dwupołówkowo. Poziome odcinki pomiędzy połówkami sinusoidy są spowodowane
spadkami napięć na przewodzących diodach. Warto zauważyć, że w układzie mostkowym dla
obu kierunków sygnału wejściowego, z wejściem są połączone szeregowo dwie diody.
Dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi być większe od podwojonego
napięcia przewodzenia diody (Ug>2·0.6V).
Rys. 4. Przebiegi na prostowniku
dwupołówkowym
Rys. 3. Prostownik dwupołówkowy
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołówkowy czy dwupołówkowy w takich postaciach jak przedstawione na
rys. 1 i 3 nie mają w zasadzie praktycznego zastosowania gdyż napięcie otrzymywane na
wyjściu nie zmienia wprawdzie kierunku lecz ma bardzo duże zmiany jeśli chodzi o wartość
napięcia - zmiany te są nazywane tętnieniami. Aby otrzymać napięcie stałe również co do
wartości należy je wygładzić, a w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr
dolnoprzepustowy. Filtr ten najczęściej ma postać kondensatora elektrolitycznego (czasami
można zastosować pomiędzy mostkiem, a kondensatorem mały rezystor dla ograniczenia
prądu). Przykład zastosowania prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
przedstawiony jest na rys. 5. Źródłem napięcia zmiennego jest napięcie sieciowe obniżane na
transformatorze sieciowym. Kondensator filtrujący (wygładzający) C dołączony jest
równolegle do obciążenia RL. Filtrowanie polega na tym, że kondensator ładuje się w czasie,
gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze, a rozładowuje się w czasie,
gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze. Szybkość
rozładowywania zależy od stałej czasowej RL·C. Przebieg napięcia wyjściowego U
przedstawiony jest na rys. 6. Kolorem czerwonym zaznaczony jest kształt napięcia na wyjściu
prostownika bez kondensatora filtrującego C, a kolorem niebieskim napięcie na wyjściu z
dołączonym kondensatorem. Napięcie tętnień Ut równe jest DU. Aby zapewnić małą
amplitudę tętnień to wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RL·C>>1/f
gdzie f jest częstotliwością tętnień - w tym przypadku jest to 100Hz (częstotliwość napięcia
sieciowego jest równa 50Hz). Warunek ten oznacza, że czas jaki upływa między
następującymi po sobie doładowaniami kondensatora jest znacznie mniejszy od stałej
czasowej obwodu rozładowania. Wartość międzyszczytową napięcia tętnień (na rys. 10
oznaczona jako DU) obliczamy ze wzoru:
DU=(I/C)·Dt
Dla
Dt=T=1/f - prostowanie jednopołówkowe
Dt=½T=1/2f - prostowanie dwupołówkowe
gdzie T jest okresem napięcia sieciowego (20ms), a f jego częstotliwością (50Hz), otrzymuje
się następujące wzory na wartość napięcia tętnień:
odpowiednio dla prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego. Prąd IL jest
prądem obciążenia.
Rys. 5. Prostownik dwupołówkowy z
filtrem
Rys. 6. Przebiegi napięć na wyjściu
prostownika dwupołówkowego z
filtrem
3. Pomiary
a) Badanie układów prostowniczych.
Pomiarów dokonujemy w układzie jak na rys. 7.
Rys. 7. Schemat układu pomiarowego do badania układów prostownikowych
W układzie mierzymy prądy i napięcia przed i za prostownikiem, bez oraz przy
wpiętym za prostownikiem kondensatorem stabilizującym napięcie. Dla każdego typu
prostownika należy zdjąć i narysować charakterystyki: I2=f(Iobc), U2=f(Iobc), Uobc=f(Iobc)
oraz I2/Iobc=f(Iobc) przy stałym napięciu zasilania U1. Porównać badane prostowniki.
Tabela 1.
Typ prostownika: ………….
Iobc
Uobc
A
V
I2
A
U1=……….
U2
V
C=…………
I2/Iobc
--
Zaobserwować i naszkicować przebiegi oscylograficzne U2, I2, Uobc i Iobc.