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