LABORATORIUM Z ELEKTRONIKI

LABORATORIUM
Z ELEKTRONIKI
PROSTOWNIKI
Józef Boksa
WAT 2012
1.
PROSTOWANIKI ...................................................................................................................................... 3
1.1. CEL ĆWICZENIA ..................................................................................................................................... 3
1.2. WPROWADZENIE .................................................................................................................................... 3
1.2.1.
Prostowanie .................................................................................................................................. 3
1.3. PROSTOWNIKI NAPIĘCIA ......................................................................................................................... 3
1.4. SCHEMATY BLOKOWE UKŁADÓW POMIAROWYCH .................................................................................... 5
1.5. SCHEMATY IDEOWE BADANYCH UKŁADÓW ............................................................................................. 5
1.6. OPIS TECHNICZNY POMIARÓW................................................................................................................. 6
1.6.1.
Zakres i metodyka pomiarów ......................................................................................................... 6
1.6.2.
Badania prostowników .................................................................................................................. 6
1.7. OPRACOWANIE OTRZYMANYCH WYNIKÓW .............................................................................................. 6
1.7.1.
Dla prostownika ............................................................................................................................ 6
1.8. ZAGADNIENIA KONTROLNE..................................................................................................................... 7
1.9. LITERATURA .......................................................................................................................................... 7
2
1. PROSTOWNIKI
1.1.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami i parametrami prostowników przebiegów elektrycznych.
1.2.
WPROWADZENIE
Prostownik „prostuje” przebieg zmienny po to, aby energię prądu zmiennego (np. dostępną w sieci energetycznej
230V 50Hz) przekształcić na energię prądu stałego np. niezbędną do zasilania większości urządzeń elektronicznych,
Ideę najprostszego prostowania tzw. jednopołówkowego przedstawiony na rys 1.1
prostownik
jednopołówkowy
Rys. 1.1.
Prostowanie jednopołówkowe
Wartość średnia za okres przebiegu wejściowego prostownika (zawartość składowej stałej) jest zerowa. Przebieg
wyjściowy ma niezerową wartość średnią ale ogólnie jest przemienny i można przyjąć, że stanowi sumę pewnej
składowej stałej i pewnej składowej zmiennej zwanej tętnieniami.
Aby można porównywać możliwości energetyczne takiego prądu z prądem stałym stosuje się pojęcie wartości
skutecznej prądu przemiennego (zmiennego) jako ekwiwalent prądu stałego, który spowoduje ten sam efekt
cieplny co dany prąd przemienny (zmienny).
Podstawowymi parametrami prostownika są:
a) wartość średnia przebiegu wyprostowanego Uśr,
b) wartość skuteczna przebiegu wyprostowanego Usk,
c) współczynnik tętnień t,
d) sprawność η.
1.3.
PROSTOWNIKI NAPIĘCIA
Najprostszym prostownikiem napięcia zmiennego jest prostownik jednopołówkowy przedstawiony na rys 1.8.
U1
Rys. 1.2.
D
R0
U0
Prostownik jednopołówkowy
W czasie trwania dodatniej połówki zmiennego napięcia U1 dioda D przewodzi i przez obciążenie płynie prąd o
polaryzacji dodatniej. W czasie trwania ujemnej połówki napięcia U1 dioda D nie przewodzi i przez obciążenie
prąd nie płynie. Na rysunku 1.2 przedstawiono poglądowy przebieg napięcia wyjściowego U0 przy założeniu, że
na diodzie przewodzącej nie odkłada się żadne napięcie. W rzeczywistości na diodzie przewodzącej odkłada się
napięcie wynikające z rezystancji jaką przedstawia dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia.
Taki odkształcony przebieg charakteryzuje się niezerową wartością średnią Uśr (zawiera składową stałą)
T
1
(1.1)
U śr = ∫ u (t )dt
T 0
3
Wartość skuteczna przebiegu zmiennego
T
1 2
U sk =
u (t )dt
T ∫0
(1.2)
Składowa zmienna napięcie wyjściowego jest nazywana tętnieniem o wartości skutecznej Ut, a stosunek wartości
skutecznej tętnień do wartości składowej stałej Uśr nazywamy współczynnikiem tętnień t
U
t= t
(1.3)
U śr
gdzie po odjęciu od mocy przebiegu przemiennego mocy składowej stałej [2]
2
U t = U 1m
1  1 
 2  −  π 
2
(1.4)
a U1m – amplituda napięcia wejściowego prostownika.
Sprawność prostowania jest to stosunek mocy prądu stałego wydzielonej w obciążeniu (moc przebiegu wyprostowanego) do całkowitej mocy doprowadzonej do prostownika.
Zależności na poszczególne parametry prostownika umieszczono zbiorczo w tabeli 1.3.1
Tabela 1
prostownik
wartość średnia
wartość skuteczna
tętnienia
sprawność
jednopołówkowy
U śr = 0,318U 1m
U sk = 0,5U1m
U t= 0,386U 1m
η p = 0,406
dwupołówkowy
U śr = 0,637U 1m
U sk = 0,707U1m
U t= 0,308U 1m
η p = 0,812
U1m – amplituda napięcia U1 (wejściowego prostownika).
Aby ograniczyć poziom tętnień prostowników konieczne jest zastosowanie filtru dolnoprzepustowego o
strukturze od najprostszego RC jak na rys.1.3.a przez typu L – rys.1.3.b. do typu π - rys.1.3.c.
a)
b)
C
c)
L
R0
R0
C
Rys. 1.3.
L
C1
C2
Filtry prostowników
Działanie prostownika z filtrem RC zobrazowano na rys. 1.4.a. Podczas dodatniej połówki napięcia U kondensator ładuje się do poziomu a. Po osiągnięciu tego poziomu napięcie maleje i kondensator rozładowuje się przez
obciążenia R0. Za czas trwania następnej połówki dodatniej sytuacja się powtarza, tak że przebieg napięcia na obciążeniu jest jak na rys. 1.4.b.
a)
U
b)
)
a
t
Rys. 1.4.
U
t
Przebieg napięcia wyjściowego prostownika z filtrem RC
Jeśli pojemność kondensatora będzie duża to zmagazynuje się w niej duży ładunek i na dłużej starczy do zasilania
obciążenia za czas przerwy w ładowaniu. Jeśli pojemność kondensatora będzie zbyt mała to ładunku może nie
starczyć do czasu następnego etapu ładowania i wystąpi chwilowa przerwa w dostawie energii do obciążenia.
Dla filtru typu L (rys. 1.3.b) szeregowa indukcyjność L przedstawia dużą impedancję dla składowej
zmiennej, z kolei kondensator małą dla składowej zmiennej tworząc dla niej drogę omijającą obciążenie. Ostre
wymagania na dużą wartość indukcyjności i wynikające z tego gabaryty nie zachęcają jednak do ich stosowania.
4
Mała sprawność i duże tętnienia to główne wady prostownika jednopołówkowego. O wiele lepszym jakościowo jest prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym (tzw. prostownik z mostkiem Graetza) którego
schemat przedstawiono na rys. 1.5.
A
D1
D2
D4
D3
U1
R0
U0
B
Rys. 1.5.
Prostownik Graetza
Jeśli przy pewnej polaryzacji napięcia prostowanego potencjał węzła A (rys. 1.6.a) jest wyższy niż w węźle B to
przewodzą diody D2 i D4. Przy zmianie polaryzacji przewodzi druga para diod – rys. 1.6.b. Prąd przez obciążenie
płynie w sposób ciągły w tym samym kierunku.
A
a)
+
b)
D1
D2
U2
A
-
U2
D4
B
Rys. 1.6.
R0
U0
D3
+
B
R0
U0
Obwody prądu w prostowniku z mostkiem Graetza
Zależności na poszczególne parametry tego prostownika umieszczono w tabeli1 1
1.4.
SCHEMAT BLOKOWY UKŁADU POMIAROWEGO
Schemat blokowy układu pomiarowego do badania prostownika / detektora przedstawiono na rys. 1.7.
Wy 1
We 1
Generator
We 2
We 3
We 4
Prostowniki
e
Wy 2
Wy 3
Wy 4
Woltomierz
Oscyloskop
Trig
Rys. 1.7.
Schemat blokowy układu pomiarowego do badania prostownika
Źródło napięcia do prostowania podłącza się do jednego z wejść. Woltomierz umożliwia pomiar odpowiedniego
parametru przebiegu wyjściowego (wartość średnia, skuteczna i tętnienia) a oscyloskop obserwację jego kształtu..
1.5.
SCHEMATY IDEOWE BADANYCH UKŁADÓW
Schemat ideowy prostownika / detektora AM przedstawiono na rys. 1.8.
5
Wy5
D1a 1N4148
We4
Wy1
D1 1N4001
We1
P1a
C1
220n
D2
R1
51
P2
R2
5k1
D3
We2
D4
D5
4×1N4001
P1b
C2
220n
R3
51
R4
5k1
P3
Wy3
Wy4
We3
R5
51
D6
OA65
P4
R5
C3 7k5
1n5
C4
300p
R6
75k
Wy2
Rys. 1.8.
Schemat ideowy prostownika / detektora AM
Do budowy modelu prostownika jednopołówkowego wykorzystano dwie różne diody: D1 i D1a.
Dioda typu D1 jest powszechnie stosowana w prostownikach napięcia o częstotliwości sieci energetycznej 50Hz.
Nie jest jednak zalecana do stosowania w prostownikach napięcia o częstotliwości choćby rzędu kHz. Przyczyną
jest stosunkowo duża pojemność tej diody.Aby zaobserwować wpływ pojemności diody na własności prostownika zastosowano do prostowania diodę D1a o mniejszej pojemności.
Rezystor R1 stanowi zabezpieczenie przed przypadkowym zwarciem prostownika i w normalnych warunkach nie
jest stosowany. Obciążenie rezystancyjne prostownika realizuje praktycznie rezystor R2, który po podłączeniu
przełącznikiem P1a kondensatora C1 tworzy filtr dolnoprzepustowy redukujący tętnienia.
Wyjście Wy1 lub Wy5 umożliwia obserwację przebiegu prostowanego a wyjścia Wy3 i Wy4 obserwację i pomiary
przebiegu wyprostowanego (wciśnięty P2) i ewentualnie odfiltrowanego (dodatkowo wciśnięty P1).
`Prostownik dwupołówkowy modelu jest zbudowany na diodach D2 do D5 stanowiących tzw. prostownik
Graetza.
Dla poprawnego zamknięcia obwodów prostownika wymagane jest galwaniczne rozdzielenie wejścia od wyjścia
prostownika aby potencjał odniesienia wejścia prostownika (masa źródła przebiegu prostowanego) nie był połączony z masą wyjścia gdyż zostanie zwarta jedna z diod.. Z tego powodu prostownik jest sterowany ze źródła
symetrycznego. Brak jest także możliwości jednoczesnej obserwacji oscyloskopem przebiegu prostowanego i
wyprostowanego jak w przypadku jednopołówkowego.
Przeznaczenie pozostałych elementów tego prostownika jest analogiczne jak jednopołówkowego.
Elementy dolnego układu modelu laboratoryjnego z rys. 1.8 stanowią detektor AM który w tym ćwiczeniu
nie będzie wykorzystywany.
1.6.
OPIS TECHNICZNY POMIARÓW
W ćwiczeniu badane będą prostowniki: jednopołówkowy i dwupołówkowy. Badania obejmują obserwację przebiegów napięć i pomiary parametrów energetycznych przebiegu wyjściowego prostownika: wartość średnia, skuteczna i tętnienia; bez filtru i z filtrem RC:.
1.7.
OPRACOWANIE OTRZYMANYCH WYNIKÓW
Dla obu prostowników należy obliczyć wielkości określone w tabeli S.1 sprawozdania posługując się wzorami z
tabeli 1.3.1.
6
Prostowniki bez filtrów
Usk [mV]
prostownik teoria pomiary
Uśr
teoria
[mV]
pomiary
Ut
teoria
[mV]
pomiary
Tabela S.1
sprawność[%] tętnienia[%]
teoria
pomiary
teoria
pomiary
jednopołówkowy
na D1
dwupołówk
owy
Do oceny sprawozdania jego części składowe należy ułożyć w kolejności:
1. strona tytułowa sprawozdania,
2. stosowne obliczenia,
3. wykresy
4. wnioski
5. protokół pomiarowy.
1.8.
ZAGADNIENIA KONTROLNE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Charakterystyka prądowo napięciowa diody prostowniczej
Parametry prostownika napięcia zmiennego
Zasada działania prostownika jednopołówkowego i jego właściwości.
Narysować przebiegi napięcia na wyjściu prostownika jednopołówkowego bez kondensatora
Obwody ładowania i rozładowania kondensatora na wyjściu prostownika jednopołówkowego
Narysować przebiegi napięcia na wyjściu prostownika jednopołówkowego z kondensatorem
Narysować przebiegi napięcia na wyjściu prostownika jednopołówkowego z kondensatorem o różnej pojemności
8. Zasada działania prostownika dwupołówkowego i jego właściwości.
9. Narysować przebiegi napięcia na wyjściu prostownika dwupołówkowego bez kondensatora
10. Obwody ładowania i rozładowania kondensatora na wyjściu prostownika dwupołówkowego
11. Zasady doboru filtru prostowników napięcia
1.9.
LITERATURA
[1]. J. Boksa Analogowe układy elektroniczne, BTC 2007
[2] G. N. Lurch Podstawy techniki elektronicznej PWN Warszawa 1974
7