Prostowniki - Zespół Układów Elektronicznych
Transkrypt
Prostowniki - Zespół Układów Elektronicznych
UKŁADY PROSTOWNICZE 1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i właściwościami podstawowych układów prostowniczych: prostownika jednopołówkowego, dwupołówkowego z dzielonym uzwojeniem transformatora oraz dwupołówkowego z mostkiem Graetza. 2. Budowa układu. Schemat prostowników przedstawiono na Rys.1. Każdy z typów prostownika (jednopołówkowy, dwupołówkowy z dzielonym uzwojeniem, mostkowy) może być złożony na płytce przedstawionej na Rys.2. Na wejście prostownika podłączyć należy transformator zgodnie z Rys.1, a na wyjście obciążenie w postaci opornika dużej mocy. TR1 A J1 1 D1 Uwyj B 2 D 3 J2 1 WEJŚCIE C1 C TRANSFORMATOR C2 2 R0 WYJŚCIE R1 0.47 / 5W TR1 A J1 1 D1 B Uwyj 2 D 3 J2 D2 C 1 WEJŚCIE C1 C2 2 R0 TRANSFORMATOR WYJŚCIE R1 0.47 / 5W J1 TR1 1 D4 D1 A Uwyj 2 Uwyj B 3 J2 D3 D C TRANSFORMATOR D2 1 WEJŚCIE C1 R1 C2 2 R0 WYJŚCIE 0.47 / 5W Rys.1. Schemat prostownika: (a) – jednopołówkowego, (b) – dwupołówkowego z dzielonym uzwojeniem, (c) - mostkowego. 1 Rys.2. Widok płytki drukowanej prostownika (od strony elementów). Na płytce złożyć można żna dowolny układ z prostowników z Rys.1. Bezpiecznik 1 Bezpiecznik 2 ~230V . . A C B D Uzwojenie wtórne 1 Uzwojenie wtórne 2 Rys.3. Widok transformatora sieciowego. 2 3. Przygotowanie do zajęć. UWAGA: Czas przygotowania do zajęć szacuje się na 3 do 6 godzin. 3.1. Materiały źródłowe [1] [2] [3] [4] [5] Materiały Laboratorium i Wykładów Zespołu Układów Elektronicznych. U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa, 1996, s. 560-568. P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKiŁ, Warszawa, 2003, s. 55-62. J. J. Car, Zasilanie urządzeń elektronicznych, BTC, Warszawa, 2004, s. 107-153. R. Kisiel, Podstawy technologii dla elektroników, Warszawa, 2005, s.140-142. 3.2. Pytania kontrolne 1. 2. 3. 4. 5. Co to jest prąd i napięcie skuteczne ? Co to jest prąd i napięcie średnie ? Co to jest moc czynna ? Co to jest współczynnik mocy prostownika ? Naszkicować schematy i wyjaśnić zasadę działania prostowników: jednopołówkowego, dwupołówkowego, mostkowego. 6. Naszkicować przebiegi napięć i prądów prostownikach z obciążeniem rezystancyjnym i rezystancyjno-pojemnościowym. 7. Jak zależy napięcie tętnień od pojemności filtra i obciążenia ? 3.3 Zadanie projektowe Dla danego typu prostownika (jednopołówkowy 1D, dwupołówkowy 2D, dwupołówkowy mostkowy 4D) należy obliczyć wszystkie parametry prostownika metodą analityczną. Wyniki nanieść do odpowiednich Tabel. Parametry jakie należy obliczyć to: - UOav0 – napięcia średnie biegu jałowego (prostownika bez obciążenia), UOav – średnie napięcie wyjściowe przy obciążeniu RO, UOmin – minimalną wartość napięcia wyjściowego, UOmax – maksymalną wartość napięcia wyjściowego, URIP – międzyszczytową wartość napięcia tętnień, IOav – średni prąd obciążenia, IDav – średni prąd przewodzenia diody prostowniczej, IDmax - powtarzalną wartość szczytowa prądu diod, IDsurage – (ang. inrush current or input surge current) maksymalny prąd diody przy załączaniu. Obliczenia należy wykonać dla: - prostownika bez pojemności filtrujących i dla obu rezystancji obciążenia RO = RO1 i RO = RO2, oraz czterech kombinacji pojemności filtrujących oraz rezystancji obciążenia: 3 - - pojemność filtrująca C = C1 (wybrać pojemność mniejszą) i rezystancja obciążenia RO = RO1, pojemność filtrująca C = C1, rezystancja obciążenia RO = RO2, pojemność filtrująca C = C1 + C2 , rezystancja obciążenia RO = RO1, pojemność filtrująca C = C1 + C2 , rezystancja obciążenia RO = RO2. Należy przyjąć następujące parametry transformatora sieciowego (dostępnego na stanowisku laboratoryjnym): - napięciu skuteczne biegu jałowego U2rms = 12.5V, - przekładnia n = 18.4, - rezystancji uzwojenia pierwotnego r1 = 300 Ω - rezystancji uzwojenia wtórnego r2 = 3,8 Ω. Uwaga: w obliczeniach, do wyznaczonej na podstawie podanych powyżej parametrów wartości rezystancji wewnętrznej transformatora RS, należy dodać wartość rezystora monitorującego prąd (na schemacie R1 = 0.47 Ω R'S =RS + 0,47 Ω. 4. Przebieg ćwiczenia. Wyznaczanie rezystancji wewnętrznej uzwojenia wtórnego transformatora (RS) Transformator z punktu widzenia zacisków wyjściowych jest dwójnikiem, który (z twierdzenia Thevenina) można przedstawić jako źródło napięciowe z rezystancja wewnętrzną (Rys.4 ). 0[V] E-U” n:1 ~230V IL RS E E RS U’=E U” RL Rys. 4. Transformator sieciowy i równoważny mu schemat zastępczy uzwojenia wtórnego Pomiar rezystancji RS polega na pomiarze siły elektromotorycznej E za pomocą woltomierza o bardzo dużej rezystancji wewnętrznej (uniwersalny miernik cyfrowy ma rezystancje rzędu 10MΩ). Na zaciskach transformatora nieobciążonego otrzymujemy wynik U’=E (końcówki transformatora A i B lub para C i D – Rys.3 ). Po obciążeniu transformatora znaną rezystancją RL, o wartości rzędu 50 do 100Ω, mierzymy napięcie U”. W tym pomiarze otrzymamy wynik mniejszy o spadek napięcia na rezystorze RS. Spadek ten wynosi E − U " = RS ⋅ I L skąd: RS = E − U " U '−U " U '−U " U '−U " = = = RL U" IL IL U" RL Dokładną wartość rezystancji obciążenia RL należy zmierzyć miernikiem uniwersalnym. 4 Wyniki pomiarów należy zebrać w Tabeli 1. Uwaga: rzeczywista wartość rezystancji szeregowej prostownika musi być powiększoną o rezystancję R1=0,47Ω wlutowaną na płytce prostownika, przeznaczoną do pomiaru prądu diod. Wówczas: R'S =RS + 0.47 Ω. Tabela 1. Pomiar rezystancji wewnętrznej transformatora. U’ = E U” E – U’ RL [V] [V] [V] [Ω] IL [A] RS’ RS’ [Ω] [Ω] obliczone Montowanie układu i pomiary 1. Zmontować układ prostownika bez pojemności filtrujących. 2. Na wejście podłączyć transformator, a na wyjście obciążenie RO1 i włączyć zasilanie. 3. Za pomocą oscyloskopu zaobserwować napięcie wejściowe i wyjściowe prostownika oraz prąd obciążenia. 4. Korzystając z oscyloskopu i funkcji „pomiary” zmierzyć parametry prostownika i nanieść wyniki do odpowiedniej Tabeli 2-x. 5. Pomiar prądu IDsurage może zostać wykonany z zastosowaniem funkcji „pojedynczego wyzwalania„ oscyloskopu i włączania układu (transformatora); należy wydrukować jeden z zaobserwowanych przebiegów. 6. Czas przewodzenia diody można zmierzyć za pomocą funkcji „kursory” oscyloskopu. 7. Powtórzyć pomiary 2 do 5 dla obciążenia RO2. 8. Wlutować pojemność C1 (mniejszą) i zaobserwować napięcie wyjściowe oraz prąd ładowania kondensatora (pomiar spadku napięcia na rezystorze R1=0,47 Ω). 9. Używając funkcji „pomiary” oscyloskopu uzupełnić dane w odpowiedniej Tabeli 2-x dla C1RO1, C1-RO2, 10. Wlutować kondensator C2 i wykonać pomiary dla (C1+C2)-RO1, (C1+C2)-RO2, 11. Wypełnić Tabele 2x. Wnioski 1. Dla układu z filtrem pojemnościowym należy: a. Wymienić parametry, które zmieniają się zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi, przy wzroście pojemności filtrującej oraz przy wzroście obciążenia (zmniejszeniu rezystancji obciążającej). b. Wymienić parametry, które zmieniły się lub nie zmieniły się i było to niezgodnie z przewidywaniami teoretycznymi. 2. Porównać parametry układu bez filtra pojemnościowego z parametrami układu z filtrem. 5 Tabela 2-1A. Wyniki obliczeń i pomiarów parametrów prostownika jednopołówkowego 1D. Układ bez pojemności filtrujących. RO = RO1 = ..............[Ω] Parametr UOav0 [V] UOav [V] UOrms [V] UOmin [V] UOmax [V] URIP [V] IOav [mA] IDav [mA] IDmax [mA] IDsurage [A] ∆t (czas przewodzenia diody) [ms] Obliczenia Pomiary RO = RO2 = ..............[Ω] Obliczenia Pomiary Tabela 2-1B. Wyniki obliczeń i pomiarów parametrów prostownika jednopołówkowego 1D. Układ z filtrem pojemnościowym C = C1 = .................... µF. RO = RO1 = ..............[Ω] Parametr Obliczenia Pomiary RO = RO2 = ..............[Ω] Obliczenia Pomiary UOav0 [V] UOav [V] UOrms [V] UOmin [V] UOmax [V] URIP [V] IOav [mA] IDav [mA] IDmax [mA] IDsurage [A] ∆t (czas przewodzenia diody) [ms] 7 Tabela 2-1C. Wyniki obliczeń i pomiarów parametrów prostownika jednopołówkowego 1D. Układ z filtrem pojemnościowym C = C1 + C2 = .................... µF. RO = RO1 = ..............[Ω] Parametr Obliczenia Pomiary RO = RO2 = ..............[Ω] Obliczenia Pomiary UOav0 [V] UOav [V] UOrms [V] UOmin [V] UOmax [V] URIP [V] IOav [mA] IDav [mA] IDmax [mA] IDsurage [A] ∆t (czas przewodzenia diody) [ms] 8 Tabela 2-2A. Wyniki obliczeń i pomiarów parametrów prostownika dwupołówkowego .....D. Układ bez pojemności filtrujących. RO = RO1 = ..............[Ω] Parametr Obliczenia Pomiary RO = RO2 = ..............[Ω] Obliczenia Pomiary UOav0 [V] UOav [V] UOrms [V] UOmin [V] UOmax [V] URIP [V] IOav [mA] IDav [mA] IDmax [mA] IDsurage [A] ∆t (czas przewodzenia diody) [ms] 9 Tabela 2-2B. Wyniki obliczeń i pomiarów parametrów prostownika dwupołówkowego .....D. Układ z filtrem pojemnościowym C = C1 = .................... µF. RO = RO1 = ..............[Ω] Parametr Obliczenia Pomiary RO = RO2 = ..............[Ω] Obliczenia Pomiary UOav0 [V] UOav [V] UOrms [V] UOmin [V] UOmax [V] URIP [V] IOav [mA] IDav [mA] IDmax [mA] IDsurage [A] ∆t (czas przewodzenia diody) [ms] 10 Tabela 2-2C. Wyniki obliczeń i pomiarów parametrów prostownika dwupołówkowego .....D. Układ z filtrem pojemnościowym C = C1 + C2 = .................... µF. RO = RO1 = ..............[Ω] Parametr Obliczenia Pomiary RO = RO2 = ..............[Ω] Obliczenia Pomiary UOav0 [V] UOav [V] UOrms [V] UOmin [V] UOmax [V] URIP [V] IOav [mA] IDav [mA] IDmax [mA] IDsurage [A] ∆t (czas przewodzenia diody) [ms] 11