Ćwiczenie 5

Transkrypt

Ćwiczenie 5

90-924 Łódź, ul. Wólczańska 221/223, bud. B18
tel. 42 631 26 28 faks 42 636 03 27 e-mail [email protected]
http://www.dmcs.p.lodz.pl
LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW I UKŁADÓW MOCY
B
Ćwiczenie 5
Wielostopniowe przekształtniki
sieciowe
Ramowy plan pracy
15′
30′
4.2/1–6
4.2/7
45′
1
h
4.2/8–11
h
h
1 15′
1 30′
po zajęciach
4.3/1–3
4.3/4–7
5
Opracowanie ćwiczenia i instrukcji:
Łukasz Starzak
Łódź 2011
wer. 4.6.2. 17.11.2011
1. Cel i przebieg ćwiczenia......................................................................................................................................5
2. Elektroniczny statecznik lampy fluorescencyjnej........................................................................................7
2.1.
Zastosowania tranzystorów BJT w elektronice mocy .....................................................................7
2.1.a. Ewolucja rynkowej pozycji tranzystorów BJT ................................................................7
2.1.b. Współczesne obszary zastosowań.......................................................................................7
2.2.
Lampy fluorescencyjne............................................................................................................................9
2.2.a. Działanie niskociśnieniowych lamp fluorescencyjnych ...............................................9
2.2.b. Ograniczenie prądu i optymalizacja pracy .................................................................... 10
2.2.c. Statecznik magnetyczny ..................................................................................................... 10
2.2.d. Wady stateczników tradycyjnych.................................................................................... 11
2.3.
Stateczniki elektroniczne.......................................................................................................................13
2.3.a. Zalety ....................................................................................................................................... 13
2.3.b. Statecznik elektroniczny jako przekształtnik wielostopniowy ................................ 13
2.3.c. Konfiguracja półmostkowa ................................................................................................ 15
2.3.d. Działanie elektronicznego statecznika półmostkowego zasilanego
napięciowo ........................................................................................................................................ 16
3. Prostowniki..........................................................................................................................................................21
3.1. Charakterystyka ogólna ........................................................................................................................21
3.1.a. Funkcja i zastosowanie prostowników........................................................................... 21
3.1.b. Podział ..................................................................................................................................... 22
3.1.c. Parametry................................................................................................................................ 22
3.2.
Działanie najprostszych prostowników diodowych.......................................................................24
3.2.a. Układ gwiazdowy jednopulsowy...................................................................................... 24
3.2.b. Mostek Graetza ..................................................................................................................... 26
3.3.
Mostek Graetza z kondensatorem.......................................................................................................30
3.3.a. Zmniejszenie tętnienia na wyjściu za pomocą kondensatora .................................. 30
3.3.b. Odkształcenie prądu wejściowego................................................................................... 32
3.3.c. Kompatybilność elektromagnetyczna ............................................................................. 33
4. Pomiary.................................................................................................................................................................35
4.1. Układ laboratoryjny................................................................................................................................35
Badany układ statecznika.............................................................................................................. 35
Prowadzenie pomiarów ................................................................................................................. 36
4.2.
Dwustopniowy przekształtnik AC-AC ..............................................................................................37
Przygotowanie układu ................................................................................................................... 37
Przebiegi napięć i prądów ............................................................................................................. 37
4.3.
Działanie prostownika ...........................................................................................................................41
5. Opracowanie i analiza wyników ....................................................................................................................43
5.1.
5.2.
5.3.
Badany układ jako wielostopniowy przekształtnik elektroniczny .............................................43
Praca tranzystorów w falowniku półmostkowym ..........................................................................45
Badany układ jako statecznik lampy fluorescencyjnej ..................................................................46
Uruchomienie programu Scilab................................................................................................... 46
Wyznaczenie i analiza parametrów ........................................................................................... 46
© 2011 Łukasz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej
4
Przyrządy i układy mocy – Ćwiczenie 5B. Tranzystory BJT (4.6.2)
5.4.
Prostownik i kompatybilność elektromagnetyczna .......................................................................48
E Informacje ........................................................................................................................................51
6. Oczekiwana zawartość sprawozdania...........................................................................................................51
7. Wymagana wiedza.............................................................................................................................................52
7.1. Przygotowanie do wykonywania ćwiczenia....................................................................................52
7.2. Zakres kolokwium..................................................................................................................................52
8. Literatura..............................................................................................................................................................52
B
Wprowadzenie
do ćwiczenia
1. Cel i przebieg ćwiczenia
W tej części ćwiczenia kontynuowane są badania tranzystora BJT mocy. Za przykład jego
zastosowania posłuży typowy elektroniczny statecznik lampy fluorescencyjnej (potocznie zwanej
świetlówką kompaktową). Zastosowane w nim tranzystory BJT należą do grupy przyrządów
wysokonapięciowych, ale niewielkiej mocy (znamionowa moc maksymalna strat rzędu 0,1–1 W).
Wyniki pomiarów posłużą do analizy, w jaki sposób tranzystor został dobrany do układu.
Wybrany układ demonstracyjny stwarza jednocześnie dobrą okazję do zapoznania się z
konstrukcją (na poziomie bloków funkcjonalnych) nowoczesnych elektronicznych przemienników
częstotliwości. Zamiast skomplikowanych konstrukcji jednostopniowych stosowanych wcześniej,
mamy tu konstrukcję dwustopniową, za to złożoną z bardzo prostych układów: prostownika i
falownika. Przeanalizowane zostanie działanie tych układów, w tym oddziaływanie z siecią
zasilającą. Przy okazji pokazana zostanie jedna z typowych konfiguracji pracy przyrządów
półprzewodnikowych mocy – półmostek.
2. Elektroniczny statecznik lampy fluorescencyjnej
2.1.
Zastosowania tranzystorów BJT w elektronice mocy
2.1.a. Ewolucja rynkowej pozycji tranzystorów BJT
Tranzystor BJT był pierwszym przyrządem półprzewodnikowym, dla którego opracowano
konstrukcję wysokonapięciową. Dzięki temu wynalazkowi elektronika półprzewodnikowa
rozpoczęła ekspansję na obszar aplikacji zarezerwowanych wówczas dla lamp elektronowych (np.
układy odchylania do kineskopów) i układów elektromechanicznych (np. technika napędowa).
Tranzystory BJT były używane we wszystkich tych aplikacjach (ale nie tylko), w których niezbędne
były przyrządy w pełni sterowalne, w związku z czym zastosowanie tyrystorów było wykluczone.
Jednak w ostatnich dziesięcioleciach tranzystory te zostały wyparte z układów mocy przez
:
— w układach trakcyjnych dużej mocy (dotyczy to dużych tranzystorów
energetycznych, które zajmowały całą pastylkę krzemu, a dzisiaj nie są już
produkowane) – całkowicie przez tranzystory IGBT i tyrystory GTO;
— w przetwornicach i innych przekształtnikach oraz układach sterowania silników
średniej mocy (dotyczy to przyrządów średniej mocy, złożonych z wielu
równolegle połączonych komórek) – w dużym stopniu przez tranzystory
MOSFET i IGBT.
został spowodowany przez szereg czynników, z których
najważniejsze to:
1º sposób sterowania – w przypadku tranzystorów MOSFET i IGBT napięciowoładunkowy, w przypadku GTO ładunkowy – a więc bez konieczności ciągłego
przepływu prądu sterującego;
2º duża szybkość przełączania w przypadku tranzystorów MOSFET i IGBT – a więc
szeroki zakres częstotliwości pracy i mniejsze straty mocy w stanach
dynamicznych.
2.1.b. Współczesne obszary zastosowań
Z biegiem czasu pole zastosowań tranzystorów BJT w elektronice przemysłowej zostało
poważnie ograniczone. Tranzystory BJT są jednak wciąż
. Są to:
1) stopnie wyjściowe wzmacniaczy dużej mocy o działaniu ciągłym (zwykle klasy
AB) lub przełączającym (zwykle klasy D);
2) przetwornice w układach odchylania dla kineskopów;
8◆B2
3) przetwornice w zasilaczach impulsowych (przy czym w tym zastosowaniu
popularniejsze są tranzystory MOSFET);
4) elektroniczne stateczniki niskociśnieniowych lamp fluorescencyjnych (potocznie
znanych jako świetlówki i żarówki energooszczędne);
5) elektroniczny zapłon silników samochodowych (tu jednak BJT ustępują powoli
tranzystorom polowym, zarówno dyskretnym, jak i specjalizowanym układom
scalonym).
Poza wzmacniaczami o działaniu ciągłym, we wszystkich tych aplikacjach tranzystory BJT
pracują w roli kluczy. Jak wiadomo, praca przełączana pozwala na minimalizację mocy strat w
przyrządzie.
Z powodów, dla których tranzystory BJT nie zostały całkowicie wyparte z rynku, można
wymienić:
— łatwość projektowania samego przyrządu (struktura wysokonapięciowego
tranzystora bipolarnego jest prosta, a w ciągu pół wieku jej właściwości zostały
bardzo dobrze zbadane);
— łatwość produkcji (prosta 4-warstwowa struktura, brak konieczności
wytwarzania bramki);
— w związku z powyższymi – bardzo niski koszt elementu (dla niezbyt dużych
prądów maksymalnych tranzystory BJT są najtańszymi wysokonapięciowymi
kluczami półprzewodnikowymi);
— bardzo niskie napięcie nasycenia i bardzo niska rezystancja dynamiczna w
zakresie nasycenia (co zostało wykazane w pierwszej części ćwiczenia) – a więc
bardzo mała moc strat w stanie załączenia. Stanowi to zaletę w przypadku tych
układów przełączanych, w których moc strat dynamicznych jest niewielka
(niewysokie częstotliwości, nieduże prądy), a więc dominują straty statyczne;
— jednocześnie, dla niezbyt dużych mocy, akceptowalna szybkość przełączania
– a więc wystarczająca w wielu zastosowaniach maksymalna częstotliwość
pracy (nawet do 100 kHz).
Elektroniczny statecznik lampy fluorescencyjnej
2.2.
B2◆9
Lampy fluorescencyjne
2.2.a. Działanie niskociśnieniowych lamp fluorescencyjnych
, ang.
) to szklana rurka
Lampa fluorescencyjna (potocznie
wypełniona gazem obojętnym (argonem lub kryptonem), w której umieszczono niewielką kroplę
rtęci, zaś ścianki pokryto od wewnątrz materiałem fosforyzującym (rys. 1a). Na obu końcach
rurki znajdują się włókna metalowe – elektrody. W ćwiczeniu używamy lampy niskociśnieniowej, tj.
w której ciśnienie gazu nie przekracza 1 atm. Tego typu lampy są przeznaczone do oświetlania
pomieszczeń biurowych i mieszkalnych – w odróżnieniu od lamp wysokociśnieniowych, które
posiadają mocy umożliwiającą oświetlanie ulic i hal produkcyjnych. Do lamp takich należą
tradycyjne świetlówki jak również świetlówki kompaktowe.
Nie działająca świetlówka stanowi przerwę w obwodzie. Jeżeli jednak przyłożymy do elektrod
odpowiednio wysokie napięcie, to gaz ulegnie jonizacji i nastąpi zapłon łuku elektrycznego. Łuk
elektryczny to w uproszczeniu utrzymujące się dłuższy czas wyładowanie (takie jak atmosferyczne),
czyli przepływ prądu. Wyładowanie to jest związane z dążeniem gazu do przywrócenia równowagi
elektrycznej, czyli dejonizacji. Po dejonizacji łuk jest podtrzymywany przez elektrony emitowane
z elektrod.
Opisany wyżej przypadek nazywamy
. Stanowi on spore obciążenie dla
elektrod lampy, dlatego zwykle stosuje się
. Elektrody są wówczas wstępnie
podgrzewane, w wyniku czego zaczynają emitować elektrony, które gromadzą się na obu końcach
rurki. W tych warunkach napięcie zapłonu ign obniża się, a przebieg zjawisk staje się łagodniejszy.
Zapalenie się łuku w parach rtęci powoduje emisję światła w paśmie ultrafioletu.
Promieniowanie ultrafioletowe pobudza z kolei fosfor do świecenia w paśmie widzialnym. Samo
promieniowanie ultrafioletowe jest zatrzymywane przez szklane ścianki. Obecnie stosuje się często
potrójną warstwę materiału fosforyzującego (świecącego na czerwono, zielono i niebiesko). Pozwala
to na uzyskanie praktycznie dowolnej barwy wynikowego strumienia świetlnego.
gaz obojętny
elektrody
ścianka pokryta
materiałem fosforyzującym
rtęć
Współczesne lampy fluorescencyjne posiadają wysoką sprawność świetlną v rzędu 80–
100 lm/W (lumenów na wat mocy znamionowej). Dla zwykłych żarówek jest ona rzędu 10 lm/W, a
dla starszych typów świetlówek – 60–70 lm/W. Dodatkowa wysoka sprawność energetyczna
obecnie stosowanych obwodów zasilająco-sterujących rzeczywiście pozwala na nazwanie tych lamp
„energooszczędnymi”.
10 ◆ B 2
2.2.b. Ograniczenie prądu i optymalizacja pracy
Spójrzmy jeszcze na typową charakterystykę prądowo-napięciową lampy przedstawioną na rys.
1b. Odcinek poziomy odpowiada zwiększaniu napięcia między elektrodami przy braku przepływu
prądu przez lampę. W chwili powstania łuku, przy napięciu zapłonu Uign, punkt pracy lampy
przechodzi na odcinek charakterystyki o ujemnej impedancji dynamicznej. W wyniku tego prąd
narasta, podtrzymywany przez emisję elektronów z elektrod, a jednocześnie napięcie między
elektrodami spada. Dzieje się tak aż do osiągnięcia wartości napięcia Uon rzędu 40–110 V.
Odpowiada jej prawie pionowy fragment charakterystyki. Dokładnie rzecz biorąc, wartość Uon
zmienia się nieco wraz z wartością prądu I).
Z powodu niskiej impedancji lampy w stanie załączenia, obwód zewnętrzny musi zapewnić
odpowiednie ograniczenie narastania prądu. W przeciwnym razie prąd lampy osiągnąłby takie
natężenie, że ta uległaby zniszczeniu. Należy też dążyć do sinusoidalnego kształtu prądu lampy,
gdyż zapewnia on długą żywotność elektrod.
Szczególnie trzeba zapobiegać istnieniu składowej stałej prądu. Jej obecność oznacza, że część
elektronów emitowanych przez jedną z elektrod będzie trwale absorbowana przez drugą. Materiał
pierwszej elektrody ulega w ten sposób stopniowemu zubożeniu.
Podzespół realizujący ograniczenie narastania prądu lampy zwany jest statecznikiem (ang.
ballast). Zwykle układ ten realizuje jednocześnie szereg innych funkcji. Możliwości takie dają w
szczególności stateczniki elektroniczne. Wśród realizowanych przez nie funkcji można wymienić:
1) zapewnienie wstępnego podgrzania elektrod,
2) wytworzenie napięcia zapłonu,
3) ograniczenie prądu lampy i utrzymanie jego wartości skutecznej na stałym,
optymalnym poziomie w stanie ustalonym,
4) zapewnienie przemiennego i zbliżonego do sinusoidalnego przebiegu prądu
lampy,
5) zapewnienie wysokiej częstotliwości pracy lampy, gwarantującej wysoką
sprawność świetlną,
6) zapewnienie odpowiedniego charakteru obciążenia sieci zasilającej, zgodnie z
obowiązującymi normami (np. utrzymanie zawartości wyższych harmonicznych
w pobieranym prądzie w dopuszczalnych granicach).
Empiryczna reguła inżynierska mówi, że optymalna wartość skuteczna prądu lampy wynosi
I rms(opt) =
Pnom
U on
(2.1)
gdzie Pnom jest nominalną mocą świetlówki kompaktowej (mimo tradycyjnego oznaczenia P
parametr ten reprezentuje de facto moc pozorną).
Z kolei kształt prądu charakteryzuje się przez współczynnik szczytu (ang. crest factor)
∆
k ci =
I pk
I rms
(2.2)
gdzie Ipk – wartość szczytowa prądu, Irms – wartość skuteczna prądu. Optymalna wartość
współczynnika szczytu odpowiada idealnej sinusoidzie i wynosi kci(opt) = 1,41. Wartość maksymalna
nie powodująca skrócenia czasu życia lampy wynosi natomiast kci(max) ≈ 1,7.
2.2.c. Statecznik magnetyczny
Obwód tradycyjnego – magnetycznego statecznika lampy fluorescencyjnej został przedstawiony
na rys. 2. Ściśle rzecz ujmując, statecznikiem jest dławik L (ogranicza bowiem narastanie prądu w
obwodzie w czasie, gdy lampa jest załączona), natomiast przełącznik bimetaliczny pełni rolę
B 2 ◆ 11
zapłonnika (ang. starter). Przełącznik składa się z dwóch kontaktów metalicznych umieszczonych w
szklanej bańce wypełnionej neonem i jest normalnie otwarty.
Zasada działania tego układu jest następująca.
1. Kiedy lampa jest wyłączona i stanowi przerwę w obwodzie, napięcie między
elektrodami narasta. Napięcie to powoduje jonizację gazu w równolegle
włączonym przełączniku.
2. Kontakty przełącznika nagrzewają się, doprowadzając do jego załączenia i
dejonizacji gazu. W obwodzie płynie prąd, podgrzewając elektrody lampy.
3. Kontakty przełącznika stygną i w końcu przełącznik zostaje rozłączony. Obwód
zostaje nagle przerwany, co oznacza nagły spadek natężenia prądu. Powoduje to
powstanie przepięcia na dławiku zgodnie z zależnością u = L di/dt.
4. Jeżeli przepięcie jest wystarczająco duże, to doprowadzi ono do jonizacji gazu w
lampie i jej załączenia. Jednak niekoniecznie musi tak być. Zapłonnik wyłącza
się w przypadkowym momencie okresu sieci. Jeżeli będzie to blisko zera
sinusoidy prądu, to amplituda przepięcia będzie zbyt mała, gdyż mały będzie
czynnik di w przywołanym wyżej wzorze. W takim przypadku wszystko
powtarza się od początku, aż do załączenia lampy. Zjawisko to często możemy
obserwować przy zapalaniu tradycyjnych świetlówek.
5. Kiedy uda się doprowadzić do załączenia lampy, napięcie na niej spada. Nie
pozwala to już na jonizację neonu i załączenie przełącznika bimetalicznego.
Obwód: elektroda lampy – przełącznik – druga elektroda lampy pozostaje
rozwarty aż do kolejnego włączenia układu. Prąd między elektrodami płynie
przez lampę za pośrednictwem elektronów emitowanych przez elektrody.
L
Włącznik
Lampa
C
Przełącznik
bimetaliczny
Sieć
230 V 50 Hz
Rys. 2. Tradycyjny statecznik magnetyczny
2.2.d. Wady stateczników tradycyjnych
W układach wykorzystujących stateczniki magnetyczne obserwuje się niekorzystne zjawisko.
Polega ono na krótkotrwałym wyłączeniu lampy, kiedy prąd w układzie spada do zera. Ponieważ
wyładowania wewnątrz lampy to przepływ prądu, więc jeżeli nie ma prądu – to nie może być
wyładowań. Jest to powodem migotania świetlówki z częstotliwością 100 Hz (2∙50 Hz, gdyż prąd
przechodzi przez zero dwa razy na okres).
Z powyższego względu lampy z tradycyjnymi statecznikami bywają montowane w parach
zasilanych z różnych faz. Stosuje się również (nawet częściej) sztuczne przesunięcie fazy
realizowane w oprawie za pomocą kondensatora. Dzięki różnej fazie napięcia zasilającego
świetlówki z pary, uzyskuje się mniejsze migotanie z dwukrotnie większą częstotliwością (200 Hz).
Jest ono mniej zauważalne, a więc mniej uciążliwe dla użytkownika.
Migotanie nie tylko jest męczące dla wzroku; może być również niebezpieczne dla życia. Kiedy
świetlówki wprowadzono do hal fabrycznych, problemem stał się tzw. efekt stroboskopowy.
Przypuśćmy, że mamy halę oświetlaną świetlówkami, zasilanymi wszystkie z jednej fazy. Znajdują
się w niej elementy maszyn wirujące z częstotliwością równą lub bliską wielokrotności 100 Hz.
12 ◆ B 2
Wówczas oświetlanie hali błyskami świetlówek powoduje, że wydaje się, iż elementy te są w stanie
spoczynku lub obracają się z bardzo niewielką prędkością i można ich bezpiecznie dotknąć. Łatwo
więc było o pomyłkę co najmniej kosztowną dla zakładu, a czasem również tragiczną dla
pracownika.
Zaletą statecznika tradycyjnego jest jego prostota i wynikający z tego niski koszt. Wady są
jednak również wyraźnie widoczne:
1) zapłon lampy następuje w przypadkowym momencie, więc może się
wielokrotnie powtarzać bez powodzenia,
2) lampa migocze z podwojoną częstotliwością sieci (męczące i niebezpieczne),
3) sprawność świetlna jest niska, gdyż częstotliwość pracy wynosi zaledwie 50 Hz
– co widać na rys. 3.
2.3.
B 2 ◆ 13
Stateczniki elektroniczne
2.3.a. Zalety
Z wyżej wymienionych względów, starano się zbudować bardziej efektywny układ, który
pozwoliłby uzyskać kontrolę nad przebiegiem startu oraz działający z większą częstotliwością.
Układy takie na skalę przemysłową zaczęły być produkowane w latach 1990. Ich liczne zalety
powodują stały wzrost popularności lamp fluorescencyjnych ogólnego użytku (świetlówek
kompaktowych – patrz s. 15).
Lista korzyści ze stosowania elektronicznych stateczników jest długa:
— zwiększenie sprawności świetlnej zgodnie z rys. 3,
— całkowite wyeliminowanie migotania lampy, gdyż jej bezwładność jest dużo większa
niż okres pracy statecznika i łuk elektryczny nie zdąża zgasnąć w czasie przechodzenia
prądu przez zero,
— zwiększenie sprawności energetycznej układu,
— eliminacja pisków towarzyszących pracy lampy dzięki pracy poza zakresem słyszalnym
(charakterystyczny pisk świetlówek z tradycyjnymi statecznikami jest związany z
drganiami rdzenia dławika wzmacnianymi przez obudowę),
— wydłużenie czasu życia lampy dzięki realizacji układów miękkiego (łagodnego) startu,
— możliwość realizacji dodatkowego bloku zapewniającego poprawę współpracy z siecią
zasilającą (zagadnienie kompatybilności elektromagnetycznej) –zmniejszenie
zniekształceń harmonicznych, zwiększenie współczynnika mocy,
— możliwość dodania obwodów nastawy intensywności światła (ściemniaczy), w tym
sterowanych automatycznie,
— możliwość dodania układów zabezpieczeń na wypadek awarii lampy – tak, aby nie
dopuścić do zniszczenia statecznika,
— łatwość zasilania ze źródeł napięcia stałego, w tym bateryjnego (dlatego układy te
stosuje się m. in. do realizacji oświetlenia awaryjnego).
v
f
Rys. 3. Charakterystyka sprawności świetlnej
typowej lampy fluorescencyjnej w funkcji
częstotliwości [1] (oś f nie przecina osi ηv w
zerze; względny wzrost sprawności jest
rzędu 10…20%)
2.3.b. Statecznik elektroniczny jako przekształtnik wielostopniowy
Ogólny schemat blokowy statecznika elektronicznego przedstawia rys. 5. Nie wszystkie jego
elementy występują w każdym układzie praktycznym. Bloki opcjonalne zostały zaznaczone linią
przerywaną. Niektóre z nich mogą być zintegrowane, tj. wykorzystywać te same, wspólne elementy.
Rola poszczególnych bloków funkcjonalnych jest następująca.
14 ◆ B 2
1. Filtr przeciwzakłóceniowy – minimalizuje zakłócenia i zniekształcenia obecne
w napięciu sieci zasilającej. W tańszych wersjach stateczników nie występuje.
2. Prostownik dwupołówkowy z filtrem dolnoprzepustowym – zamienia
napięcie przemienne na napięcie jednokierunkowe zawierające głównie
składową stałą. Filtracja składowej przemiennej nie musi być jednak idealna, tj.
napięcie wyjściowe nie musi być idealnie stałe. W tanich statecznikach
dopuszcza się dość znaczne jego tętnienie.
3. Korektor współczynnika mocy – pozwala zmniejszyć moc bierną pobieraną
przez układ, dzięki czemu układ stanowi korzystniejsze obciążenie dla sieci
zasilającej. Wyróżniamy tu układy bierne (prostsze, z użyciem elementów R, C,
D) oraz czynne (przetwornice – bardziej złożone i droższe). W niektórych
układach korektor współczynnika mocy może być zintegrowany z falownikiem.
4. Falownik – zamienia napięcie stałe na prąd przemienny. Jak wspomniano,
najbardziej korzystny jest sinusoidalny kształt prądu lampy. Uzyskuje się go z
wykorzystaniem osobno wyróżnionego bloku kształtowania prądu, który jednak
jest ściśle zintegrowany z falownikiem.
5. Regulacja intensywności – pozwala tak sterować pracą falownika, aby do
lampy dostarczana była różna moc. W wyniku tego zmienia się intensywność
świecenia (funkcja ściemniacza).
6. Blok ograniczenia i kształtowania prądu – ogranicza narastanie prądu
załączonej lampy (realizuje więc zasadniczą funkcję statecznika) oraz zapewnia
jego optymalny kształt.
7. Blok zapłonnika i podgrzewania wstępnego – realizuje zapłon lampy oraz
zapewnia przepływ prądu przez elektrody podczas gdy lampa nie jest jeszcze
załączona. Dzięki temu elektrody podgrzewają się i uzyskuje się zapłon gorący,
zwiększający żywotność lampy.
Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na widoczną na schemacie cechę charakterystyczną dla
współczesnych elektronicznych układów przekształtnikowych. Prezentowany przekształtnik jest
wielostopniowy – przebiegi wyjściowe są uzyskiwane z wejściowych w kilku etapach. W tym
przypadku:
1) energia wejściowa związana jest ze składową przemienną napięcia sieci i prądu;
2) jest ona przekształcana na energię związaną ze składową stałą napięcia
wyprostowanego i prądu (prostownik);
3) ta z kolei przekształcana jest na energię związaną ze składową stałą innego
napięcia i prądu (przetwornica jako korektor współczynnika mocy);
4) wreszcie ta energia przekształcana jest z powrotem na związaną ze składową
stałą przebiegów, lecz już o zupełnie innych parametrach niż przebiegi
wejściowe (falownik).
Z zestawienia punktów 1 i 4 wynika, że rozważany przekształtnik należy do klasy
przekształtników AC-AC, a ściśle – do grupy przemienników częstotliwości (ang. cycloconverters).
Jednak z użyciem klasycznych jednostopniowych przemienników częstotliwości nie jest możliwa
konwersja częstotliwości na wyższą – co niezbędne w rozważanej aplikacji.
Inne typowe przekształtniki wielostopniowe to prostowniki (przekształtniki AC-DC) z
kompensacją współczynnika mocy (ang. power factor correction rectifiers). Stanowią one kaskadowe
połączenie zasadniczego prostownika (blok AC-DC) i przetwornicy prądu stałego (blok DC-DC).
Układy te są stosowane w zasilaniu urządzeń elektronicznych większej mocy – np. komputerów
osobistych i zasilaczy bezprzerwowych.
Powyższe skomplikowanie układu wydawać się może niepotrzebne. Napięcie sinusoidalne (sieci
zasilającej) występowało już przecież na wejściu układu i wystarczyło podać je na lampę, aby
uzyskać sinusoidalny prąd. Tak działają układy ze statecznikiem magnetycznym.
Sieć
Filtr przeciw zakłóceniowy
Korektor współczynnika mocy
B 2 ◆ 15
Prostow nik
Filtr dolnoprzepustow y
Falow nik
Ograniczenie
i kształtowanie
prądu
Regulacja
intensywności
Zapłonnik
i podgrzewanie
w stępne
Lampa
Rys. 5. Schemat blokowy rozbudowanego elektronicznego statecznika lampy fluorescencyjnej
Dzięki komplikacji uzyskujemy jednak lepsze warunki pracy lampy (więc dłuższy czas
życia), wyższą sprawność świetlną i energetyczną oraz zmniejszenie zaburzeń emitowanych
zwrotnie do sieci zasilającej. Prowadzi to do realnych oszczędności i dlatego per saldo opłaca się.
Najlepszym dowodem jest stale rosnąca popularność świetlówek kompaktowych (ang. compact
fluorescent lamps, CFL) – tj. lamp fluorescencyjnych zintegrowanych w jednej obudowie ze
statecznikiem elektronicznym. (Potoczne określenie żarówka energooszczędna jest błędne, gdyż
termin żarówka oznacza lampę żarową, tj. w której świecenie odbywa się w wyniku fizycznego
zjawiska żarzenia.)
Z powyższych względów świetlówki kompaktowe zdobywają rynek mimo wyższej ceny zakupu
od lamp żarowych. Ma na to wpływ również stopniowe wprowadzanie przepisów eliminujących te
ostatnie jako najmniej efektywne z elektrycznych źródeł światła. W obecnej chwili jedyną
konkurencję dla kompaktowych lamp fluorescencyjnych stanowią lampy elektroluminescencyjne
(ang. LED Lamps od LED – Light Emitting Diode).
2.3.c. Konfiguracja półmostkowa
Kluczową część statecznika elektronicznego stanowi falownik zintegrowany z blokami
ograniczenia i kształtowania prądu oraz podgrzewania wstępnego (por. rys. 5). Prostownik z filtrem
jest wprawdzie niezbędny, ale pełni rolę podrzędną – źródła zasilania dla falownika. Pozostałe bloki
są zaś opcjonalne. Dlatego obecnie skupimy się na działaniu falownika i powiązanych z nim bloków
następnych.
Falowniki elektronicznych stateczników lamp fluorescencyjnych posiadają z reguły dwa klucze
półprzewodnikowe. W produktach europejskich pracują one w konfiguracji półmostka (ang. halfbridge), zaś w amerykańskich – zwykle w konfiguracji przeciwsobnej (ang. push-pull). Układ badany
w niniejszym ćwiczeniu jest typu europejskiego.
Uproszczony schemat falownika półmostkowego przedstawia rys. 6. Wyprostowane
(jednobiegunowe) napięcie zasilania Ud pochodzi z wyjścia filtru prostownika (patrz rys. 5), który
znajduje się już poza schematem. Dla uproszczenia założymy, że napięcie to jest idealnie stałe.
Schemat zawiera więc następujące bloki:
1) falownik – półmostek utworzony przez tranzystory T1 i T2 oraz kondensatory
C1 i C2, którego obwód sterownia stanowi transformator o trzech uzwojeniach
(Ltra, Ltrb i Ltrc) wraz z opornikami RB1 i RB2;
2) blok ograniczenia i kształtowania prądu – obwód rezonansowy tworzony
przez dławik L i na przemian kondensatory C1 i C2 (w danej chwili w obwodzie
rezonansowym obecny jest tylko jeden z nich);
3) lampę fluorescencyjną;
4) blok zapłonnika i podgrzewania wstępnego – dławik L i kondensator C3.
Ponieważ falownik jest zasilany bezpośrednio z układu mającego charakter źródła napięcia
(prostownik z filtrem), mówimy, że jest zasilany napięciowo. Z kolei ze względu na to, że zawiera on
szeregowy (względem odbiornika) obwód rezonansowy LC, nazywamy go rezonansowym
16 ◆ B 2
szeregowym. Jak widać, nie jest możliwe rozdzielenie falownika i kolejnych bloków – kilka
elementów pełni bowiem jednocześnie różne funkcje.
+
iC,T1
RB1
T1
uCE,T1
Ltrb
Ns
C1
i
ip
C3
Ud
iC,T2
up
L
iB,T2 RB2
T2
us=uBB,T2
–
Ltra
Np
ifl
uCE,T2
Ltrc
Ns
C2
is
Rys. 6. Uproszczony schemat elektronicznego statecznika – rezonansowego szeregowego falownika
półmostkowego zasilanego napięciowo (napięcie Ud reprezentuje wyjście prostownika)
Konfigurację pracy tranzystorów widoczną na rys. 6 nazwaliśmy półmostkiem. Jest to
konfiguracja podobna do mostka (ang. full bridge, zob. par. 3.2.b). Dla obu charakterystyczne jest
wpisanie elementów obwodu głównego w kontur czworokąta.
Ścieżki, którymi w półmostku lub mostku może płynąć prąd, nazywamy:
1) gałęziami (ang. legs) – jeżeli łączą sąsiednie wierzchołki czworokąta;
2) przekątnymi (ang. diagonals) – jeżeli łączą wierzchołki nie sąsiadujące ze sobą
(leżące po przekątnej).
Jedyna różnica między półmostkiem a mostkiem polega na tym, że w mostku klucze
półprzewodnikowe znajdują się we wszystkich gałęziach, natomiast w półmostku – tylko w połowie
z nich.
W układzie z rys. 6:
— jedną gałąź (lewą) tworzą dwa tranzystory bipolarne T1 i T2 – elementy
elektroniczne aktywne, dlatego jest ona zwana gałęzią aktywną (ang. active
leg);
— drugą gałąź (prawą) tworzą dwa kondensatory C1 i C2 – elementy elektroniczne
bierne, dlatego jest ona zwana gałęzią bierną (ang. passive leg);
— jedyną przekątną, łączącą środki (ang. middle points) gałęzi aktywnej i biernej,
tworzą: lampa z równoległym kondensatorem C3, dławik L i uzwojenie
pierwotne transformatora Ltra.
2.3.d. Działanie elektronicznego statecznika półmostkowego zasilanego napięciowo
Ogólnie układ jest skonstruowany w taki sposób, że tranzystory są załączane cyklicznie
(okresowo) i naprzemiennie (w każdej chwili jeden jest załączony, a drugi – wyłączony).
Naprzemienność powoduje podział okresu pracy na dwa takty:
1) kiedy załączony jest tranzystor T2, prąd płynie przez przekątną mostka w lewo (na rys.
6), w obwodzie: Ud(+) – C1 – lampa (lub przed zapłonem C3) – L – Ltra – T2 – Ud(−);
B 2 ◆ 17
2) kiedy załączony jest tranzystor T1, prąd płynie przez przekątną mostka w prawo, w
obwodzie: Ud(+) – T1 – Ltra – L – lampa (lub C3) – C2 – Ud(−).
Na rys. 7 przedstawiono idealizowane przebiegi w układzie. Posłużą nam one do wyjaśnienia
zasady działania. Pomińmy fazę zapłonu, w czasie której obwód rezonansowy tworzony przez
elementy L i C3 generuje odpowiednio wysokie napięcie na lampie, a jednocześnie kondensator C3
umożliwia przepływ prądu przez elektrody, co doprowadza do ich podgrzania. Po pomyślnym
zapłonie układ działa w następującym cyklu.
1. Załóżmy, że w chwili t = 0 załączony zostaje tranzystor T2, natomiast przedtem
przewodził tranzystor T1. Przy strzałkowaniu jak na rys. 6, prąd i posiada więc
wartość ujemną. Zauważmy, że prąd i jest równy prądowi iC,T2 i w przybliżeniu
prądowi lampy ifl. Po zapłonie impedancja lampy jest dużo mniejsza od
impedancji kondensatora C3; dlatego prąd tego kondensatora jest
zaniedbywalny, a jego wpływ na działanie układu – praktycznie żaden.
2. W chwili załączenia tranzystora T2 i wyłączenia tranzystora T1, napięcie uCE,T2
spada do niskiej wartości – napięcia nasycenia. Jest ono dużo mniejsze od
napięcia zasilania Ud, można więc je uznać za zaniedbywalnie małe, a obwód C-E
załączonego tranzystora T2 – traktować jako zwarcie. W związku z tym napięcie
uCE,T1 jest w przybliżeniu równe Ud.
Na obwód C1 – lampa – L – Ltra podane jest więc napięcie Ud skierowane w
prawo (względem przekątnej mostka). Wymuszany jest więc przepływ
dodatniego prądu i (zgodnie ze strzałką). Zmiana kierunku prądu dokonuje się
jednak nie natychmiastowo, ale w przybliżeniu po połówce sinusoidy. Płynie on
bowiem w szeregowym obwodzie rezonansowym tworzonym przez elementy C1
i L. Wpływ elementów C3 i Ltra na parametry tego obwodu jest zaniedbywalnie
mały ze względu na wartości tych elementów względem C1 i L. Szybkość
narastania prądu lampy wynika z parametrów obwodu rezonansowego.
3. Przeanalizujmy obwód bazy tranzystora T2. Prąd iB,T2 i napięcie uBB,T2 są w nim
indukowane za pośrednictwem odpowiednio włączonego uzwojenia wtórnego
Ltrc. Oznaczmy przez Np liczbę uzwojeń po stronie pierwotnej (Ltra), a przez Ns –
po stronie wtórnej (Ltrb, Ltrc). Z równań transformatora wynika, że
iB,T2 = −is = −ip
u BB,T2 = u s = u p
Np
Ns
= −i
Np
Ns
= −iC,T2
Np
Ns
di p N s
Ns
di N s
= L tra
= L tra
Np
dt N p
dt N p
(2.3)
(2.4)
przy czym indukcyjność uzwojenia pierwotnego jest proporcjonalna do
przenikalności magnetycznej rdzenia:
Ltra ∝ µ
Jak widać, początkowo z powyższych równań wynika przepływ dodatniego
prądu bazy i dodatnie napięcie indukowane na uzwojeniu wtórnym zasilającym
ten obwód.
4. Kiedy prąd lampy osiągnie wartość wynikającą z zależności (2.1), powinno dojść
do odwrócenia tendencji z narastającej na opadającą. Dzieje się to przez zmianę
polaryzacji napięcia wymuszonego na przekątnej półmostka. Jak powiedzieliśmy
w punkcie 2, dotychczasowa polaryzacja tego napięcia wynikała z takiego a nie
innego załączenia/wyłączenia tranzystorów. Odwrotne ich załączenie zmieni tę
polaryzację na przeciwną. Musi więc dojść do przełączenia tranzystorów
(wyłączenia T2, załączenia T1).
5. Przełączenie tranzystorów realizuje się dwutorowo, za pośrednictwem
odpowiednio skonstruowanego transformatora.
(2.5)
18 ◆ B 2
Po pierwsze, uzwojenie pierwotne Ltra i wtórne Ltrc są tak włączone (początki
cewek), że przejście prądu kolektora na wartości dodatnie powoduje przejście
prądu bazy na wartości ujemne. W wyniku tego rozpoczyna się wyłączanie
tranzystora T2. Ponieważ jednak tranzystor ten pracuje głęboko w zakresie
nasycenia, proces wyłączania trwa długo. Jak widać na rys. 7, czas wyłączania
jest znaczący w porównaniu z okresem przełączania.
Po drugie, każdy rdzeń magnetyczny wykazuje tendencję do nasycania się w
miarę wzrostu natężenia pola magnetycznego. Natężenie pola jest zaś
proporcjonalne do prądu uzwojeń. Nasycenie rdzenia objawia się między innymi
spadkiem jego przenikalności magnetycznej µ, czyli zgodnie z zależnością (2.5) –
spadkiem indukcyjności. To z kolei powoduje ograniczenie zasilania obwodu
bazy zgodnie z równaniem (2.4).
Współdziałanie obu powyższych czynników prowadzi do ograniczenia szybkości
narastania prądu kolektora iC,T2, a po pewnym czasie – do rozpoczęcia jego
spadku.
6. Zauważmy, że gdy załączony jest tranzystor T2, i = iC,T2 = ip. Kiedy więc tylko
prąd kolektora tranzystora T2 zaczyna spadać, rdzeń transformatora wychodzi z
nasycenia i jego indukcyjność rośnie. Jednak napięcie uBB,T2 będzie teraz zgodnie
ze wzorem (2.4) ujemne. Natomiast w drugim uzwojeniu wtórnym Ltrb
zaindukuje się napięcie dodatnie (tak samo jak napięcie uBB,T2 na początku taktu
1).
W wyniku tego złącze baza-emiter tranzystora T1 zostaje spolaryzowane w
kierunku przewodzenia. W obwodzie bazy T1 zaczyna się przepływ prądu o
wartości narzuconej przez równanie analogiczne do (2.3). Tranzystor T1 zaczyna
więc przewodzić i przejmuje prąd i. W ten sposób układ przechodzi do 2. taktu
pracy. Proces przełączenia prądu z jednego tranzystora na drugi trwa bardzo
szybko w porównaniu z okresem pracy układu.
7. Oczywiście w takcie 2 napięcie uCE,T1 spada do niskiej (prawie zerowej) wartości
(obwód C-E tranzystora T1 stanowi zwarcie). Z kolei uCE,T2 ≈ Ud. Stan wyłączenia
tranzystora T2 jest podtrzymywany przez ujemne napięcie uBB, nadal spełniające
zależność (2.4).
Rys. 7. Przebiegi w układzie statecznika elektronicznego półmostkowego
B 2 ◆ 19
20 ◆ B 2
Drugi takt pracy przebiega symetrycznie do pierwszego, z tym że napięcie na
przekątnej mostka jest obecnie skierowane w lewo, co wymusza zmianę
kierunku przepływu prądu zgodnie ze strzałką iC,T1 i przeciwnie do strzałki i.
Zauważmy, że dławik L pełni w rozważanym układzie dwojaką rolę (nie licząc funkcji pełnionej
podczas zapłonu):
1º statecznika lampy – ogranicza narastanie prądu, oraz
2º składnika obwodu rezonansowego – wraz z kondensatorami półmostka pozwala
uzyskać w przybliżeniu sinusoidalny kształt prądu lampy, czyli prądu
wyjściowego falownika.
3. Prostowniki
3.1.
Charakterystyka ogólna
3.1.a. Funkcja i zastosowanie prostowników
Źródłem energii dla układów elektronicznych jest najczęściej jedno- lub trójfazowa sieć
energetyczna niskiego napięcia przemiennego. W Europie parametry znamionowe sieci
niskiego napięcia to: skuteczne napięcie fazowe 230 V i częstotliwość 50 Hz (w Ameryce i Japonii:
120 V, 60 Hz). Jednakże bardzo często rozważane układy muszą być zasilane napięciem stałym.
Jest ono wymagane przez większość nowoczesnego sprzętu domowego i biurowego. Zawiera on
bowiem cyfrowe bloki sterowania, wymagające zasilania napięciem stałym.
Dlatego też niezbędne jest stosowanie odpowiednich przekształtników energii elektrycznej –
przekształtników AC-DC zwanych też prostownikami. Jak wiadomo, rolą tych układów jest
przekształcanie energii związanej ze składową przemienną prądu i napięcia na energię związaną ze
składową stałą prądu i napięcia. Z reguły kluczową wielkością zarówno wejściową, jak i
wyjściową, jest napięcie. Natomiast pobór i wydawanie prądu wynika z tego napięcia i
charakterystyk odbiornika.
Wbrew potocznemu rozumieniu, prostownik nie musi wytwarzać napięcia stałego. Definicja
przekształtnika AC-DC mówi jedynie o tym, że decydująca część mocy czynnej wyjściowej ma
być związana ze składową stałą. Rozważany w niniejszym ćwiczeniu układ statecznika jest właśnie
przykładem aplikacji nie wymagającej napięcia stałego. Wystarczy, że napięcie nie spadnie nigdy
poniżej poziomu powodującego wyłączenie lampy. To bowiem spowodowałoby jej migotanie z
częstotliwością 100 Hz (patrz paragraf 2.2.d). Z punktu widzenia kosztów i wymiarów prostownika,
brak wymagania stałości napięcia wyjściowego jest korzystny. Bowiem parametry te silnie rosną
wraz z wymaganą skutecznością filtracji.
Istnieją również układy w ogóle nie wymagające filtracji. Napięcie może się w nich zmieniać
dokładnie tak, jak napięcie wejściowe – z jednym wyjątkiem. Musi to być napięcie
jednobiegunowe, a nie dwubiegunowe, tj. jego polaryzacja (znak, zwrot) nie może się zmieniać.
Takie wymaganie narzucają niektóre układy oparte na kluczach półprzewodnikowych
pozbawionych sterowalności przy polaryzacji wstecznej. Na przykład, jeżeli dany klucz pozbawiony
jest stanu zaworowego (jak tranzystor MOSFET), to zasilenie obwodu mocy napięciem
dwubiegunowym powodowałoby w każdym półokresie ujemnym automatyczne załączenie tego
klucza – co niekoniecznie jest pożądane. Natomiast zasilenie obwodu mocy napięciem
jednobiegunowym pozwala na kontrolowane załączanie klucza w każdym półokresie.
W najprostszym przypadku prostownik realizuje więc funkcję modułu (wartości
bezwzględnej). Napięcie jednobiegunowe uzyskane z dwubiegunowego nazywamy napięciem
wyprostowanym. Można udowodnić, że już przy napięciu wyjściowym będącym tylko wartością
bezwzględną napięcia przemiennego, decydująca część mocy czynnej związana jest ze składową
stałą. Część ta staje się tym większa, im lepsza filtracja napięcia, tj. im większa jego stałość w czasie.
22 ◆ B 3
3.1.b. Podział
Podstawowy podział prostowników opiera się o dwie rodziny topologii (połączeń kluczy
półprzewodnikowych). Według tego kryterium wyróżniamy:
1) prostowniki jednokierunkowe (gwiazdowe) – w których gałęzie z kluczami
zbiegają się w jednym punkcie. Najprostszym przykładem jest jedna gałąź z
jednym zaworem (potocznie prostownik jednopołówkowy);
2) prostowniki dwukierunkowe (mostkowe) – w których gałęzie z zaworami
półprzewodnikowymi tworzą mniej lub bardziej skomplikowane połączenia
mostkowe (patrz paragraf 2.3.c). Najprostszym przykładem jest popularny
prostownik o topologii mostka Graetza z czterema kluczami.
Większość prostowników energetycznych – tj. realizujących faktycznie przetwarzanie energii
elektrycznej – pracuje z częstotliwością sieciową 50 Hz (60 Hz). W odniesieniu do związanego z nią
okresu 20 ms (16⅔ ms), nawet najpowolniejsze przyrządy półprzewodnikowe mocy przełączają się
dużo szybciej (1–10 µs). Dlatego do zastosowań w tego typu przekształtnikach znakomicie nadają
się:
1º diody w wykonaniu niskiej częstotliwości – tzw. diody prostownicze (ang. rectifiers);
2º tyrystory w wykonaniu niskiej częstotliwości – tzw. tyrystory częstotliwości sieciowej
(ang. phase-control tryristors).
Zaletą tych przyrządów są przede wszystkim: niska cena oraz niski spadek potencjału w stanie
załączenia i niska rezystancja dynamiczna (szybkość wzrostu napięcia w funkcji prądu), co wynika z
bipolarnego przewodnictwa.
Układy o topologii prostowników są też wykorzystywane do przetwarzania sygnałów, tj.
przebiegów niosących nie energię, ale informację. Sygnały te mogą mieć wysoką częstotliwość, co
wymaga stosowania przyrządów szybkich. Jednak prostownik nie jest wówczas układem mocy;
dlatego ten przypadek nie jest przedmiotem naszego zainteresowania.
Diody i tyrystory różnią się głównie możliwością sterowania. Wypływa z tego kolejne kryterium
podziału:
1) prostowniki niesterowane – to układy, w których nie można sterować
stosunkiem mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Są to oczywiście układy
diodowe;
2) prostowniki sterowane – to układy, w których możliwa jest zmiana stosunku
mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Są to oczywiście układy tyrystorowe.
W ćwiczeniu 2 stwierdziliśmy, że zasada działania – w tym sterowania – tyrystorów
dwukierunkowych predestynuje je do zastosowań w sterownikach prądu przemiennego. Jak
zobaczymy, zasada działania tyrystorów konwencjonalnych (jednokierunkowych, SCR) sprawia, że
znakomicie nadają się one do stosowania w prostownikach.
3.1.c. Parametry
Istotnym parametrem prostowników jest liczba tętnieniowa p (lub liczba impulsów, ang. pulse
number). Mówi ona, ile razy w okresie napięcia wejściowego prąd jest przełączany między kluczami
wchodzącymi w skład przekształtnika. Jest to jednocześnie liczba impulsów prądu przekształtnika w
okresie napięcia wejściowego.
Fakt zmienności napięcia wyjściowego prostownika nazywamy tętnieniem (ang. ripple). Ten
sam termin jest również używany jako potoczna nazwa parametru opisującego wielkość tej
zmienności. Nie jest to jednak jednoznaczne, gdyż może chodzić o jeden z trzech parametrów
przebiegu: wartość międzyszczytową Uo(pp), amplitudę Uo(m) lub wartość skuteczną (składowej
przemiennej) Uo(a)(rms).
Tętnienie najczęściej podaje się w postaci względnej – odniesione do składowej stałej Uo(0).
Parametr ten nazywa się współczynnikiem tętnienia (ang. ripple factor). Można go zdefiniować w
oparciu o każdy z trzech podanych wyżej parametrów bezwzględnych przebiegu.
Prostowniki
B 3 ◆ 23
W niniejszym ćwiczeniu tętnienie będziemy opisywać za pomocą wartości międzyszczytowej
jako łatwiejszej do pomiaru oscyloskopem. W związku z tym przyjmiemy definicję współczynnika
tętnienia w postaci
∆
ruo =
U o(pp)
U o(0)
(3.1)
przy czym wartość międzyszczytowa (ang. peak-to-peak value) dowolnego przebiegu x równa jest z
definicji
∆
x pp = x pk − x val
(3.2)
gdzie xpk – wartość szczytowa przebiegu x, xval – wartość doliny przebiegu x. Biorąc pod uwagę, że
składowa stała równa jest wartości średniej Uo(av), wzór (3.1) można zapisać w postaci
ruo =
U o(pp)
U o(av)
=
uo(pk) − uo(val)
U o(av)
(3.3)
Z punktu widzenia kluczy półprzewodnikowych istotne są natomiast wartości robocze (tj.
występujące podczas normalnej pracy układu) prądów przez nie płynących i napięć na nich
blokowanych. Zasadniczo wartości te narzucone są przez wejście i wyjście przekształtnika, przy
czym dla typowych topologii są one proporcjonalne odpowiednio do prądu i napięcia
wyprostowanego (wyjściowego). Odpowiednie współczynniki proporcjonalności dla podstawowych
układów prostownikowych, uzyskane drogą analityczną, podaje się w tabelach.
24 ◆ B 3
3.2.
Działanie najprostszych prostowników diodowych
3.2.a. Układ gwiazdowy jednopulsowy
Działanie mostka Graetza występującego w aplikacji badanej w niniejszym ćwiczeniu łatwiej
będzie zrozumieć, jeżeli zaczniemy od prostownika najprostszego. Jest nim układ gwiazdowy
złożony z jednej tylko gałęzi, przedstawiony na rys. 8a. Zawiera on jeden klucz niesterowalny –
diodę. Odbiornik – o którym dla uproszczenia zakładamy, że ma charakter rezystancyjny –
reprezentowany jest przez opornik RL.
Przyjmijmy dla ustalenia uwagi, że przekształtnik ten zasilany jest z jednej z faz sieci niskiego
napięcia, którą będzie reprezentować idealne źródło napięciowe. Napięcie ui jest więc napięciem
fazowym, o wartości skutecznej Ui = 230 V i częstości ω = 2πf = 100π Hz. Równanie napięcia
wejściowego ma więc postać (patrz rys. 8b)
u i = 2U i sin ωt
(3.4)
Amplituda napięcia sieci jest o 2–3 rzędy wielkości większa od napięcia progowego diody i od
napięcia na niej w stanie załączenia. Dlatego wielkości te możemy uznać za zaniedbywalnie małe –
bliskie zera. Przy tym założeniu, w pomijalnie krótkim czasie od przejścia sinusoidy napięcia ui przez
zero następuje załączenie diody, w wyniku czego
u D1 ≈ 0
(3.5)
Można więc uznać, że wyjście jest zwarte do wejścia i napięcie wyjściowe uo jest równe (rys. 8b)
u o = u i − u D1 = u i
(3.6)
uo
RL
(3.7)
Z prawa Ohma prąd wyjściowy io wynosi
io = i D1 = ii =
Zwróćmy uwagę, że w tym układzie prąd wyjściowy, prąd klucza i prąd wejściowy są sobie równe.
Kiedy napięcie źródła przechodzi na wartości ujemne, napięcie na diodzie staje się również
ujemne. Dioda wyłącza się, co – jak stwierdziliśmy – dzieje się w czasie niezauważalnym w skali
okresu sieci. W układzie nie płynie więc prąd, a całe napięcie wejściowe odłoży się na
blokującej diodzie (rys. 8b):
io = i D1 = ii = 0
(3.8)
u o = io RL = 0
(3.9)
u D1 = u i − u o = u i
(3.10)
Praca układu jest więc dwutaktowa:
1) takt pierwszy odpowiada dodatniemu półokresowi napięcia wejściowego; dioda
jest wówczas załączona;
2) takt drugi odpowiada ujemnemu półokresowi napięcia wejściowego; dioda jest
wówczas wyłączona.
Prostowniki
B 3 ◆ 25
a)
D1
ii
iD1
io
uD1
ui
uo
RL
b)
Rys. 8. Niesterowany prostownik gwiazdowy jednopulsowy: a) schemat; b) przebiegi
napięć i prądów
26 ◆ B 3
W jednym okresie napięcia wejściowego prąd jest załączany tylko raz i brak jest przełączenia do
jakiegokolwiek innego klucza (w obwodzie jest bowiem tylko jeden klucz). W związku z tym
rozważany prostownik jest jednopulsowy (liczba tętnieniowa p = 1). Zgodnie z przedstawioną w
paragrafie 3.1.c interpretacją liczby tętnieniowej, w jednym okresie napięcia wejściowego
występuje jeden impuls prądu wyjściowego, co widać na rys. 8b.
W tym układzie średnie napięcie wyjściowe wynosi
U o(av)
T 2
T 2
T
 1T2
1
1 
1
2 πt

= ∫ u o dt =
ui dt + ∫ 0dt = ∫ U i(m)sinωt dt = ∫ U i(m)sin
dt =
∫


TT
T 0
T 0
T 0
T
T 2


(3.11)
T 2
U i(m)  T
U i(m)
U i(m)
2πt 
1
=
−
cos
=
−
(cos
π
−
cos
0
)
=
−
(−1 − 1) = U i(m)


T  2π
T 0
2π
2π
π
Z kolei wartość międzyszczytowa wynosi Ui(m) (patrz rys. 8b). Stąd współczynnik tętnienia
napięcia wyjściowego
ruo =
U o(pp)
U o(av)
=
U i(m)
1
U
π i(m)
= π = 3,14
(3.12)
3.2.b. Mostek Graetza
Wadą prostownika jednopulsowego jest przewodzenie wyłącznie w jednym półokresie
napięcia wejściowego. Jest to problemem:
1º od strony wyjścia – gdyż przez połowę czasu brak dopływu energii. Ewentualny
zbiornik energii na czas nieprzewodzenia (np. kondensator) musiałby więc mieć
bardzo dużą pojemność;
2º od strony wejścia – gdyż prąd płynie zawsze w tę samą stronę, co oznacza
niezerową składową stałą. Składowa stała ma negatywny wpływ na działanie
układów z transformatorami, gdyż powoduje niekorzystne podmagnesowywanie
rdzeni; tymczasem transformatory są powszechnie stosowane w sieci
energetycznej i w układach z niej zasilanych.
Wadę 2 eliminuje, zaś wadę 1 redukuje układ nazywany mostkiem Graetza. Zawiera on 4
klucze połączone jak na rys. 9a (wersja niesterowana – diodowa). W działaniu tego układu można
również wyróżnić dwa takty. W analizie działania oprzemy się na przebiegach zamieszczonych na
rys. 9b. Schemat układu z uwzględnieniem rzeczywistych zwrotów prądów i napięć przedstawiono
na rys. 10a i 10c. Natomiast schemat równoważny, na którym diody zastąpiono kluczami idealnymi
w odpowiednim stanie (zwarcie lub rozwarcie), przedstawiono na rys. 10b i 10d.
1. Kiedy napięcie wejściowe ui jest dodatnie, diody D1 i D4 są spolaryzowane w
kierunku przewodzenia (rys. 10a). Kiedy tylko napięcie to przekroczy sumę
napięć progowych tych diod (a więc prawie zero), diody D1 i D4 zaczynają
przewodzić. Prąd płynie zgodnie z kierunkiem strzałek od dodatniego bieguna
źródła przez D1 do odbiornika RL i dalej przez D4 do ujemnego bieguna źródła.
Załączone diody D1 i D4 można traktować jak zwarcia (rys. 10b). W związku z
tym anoda diody D3 jest zwarta przez diodę D4 do ujemnego bieguna źródła us.
Jej katoda jest na stałe połączona z dodatnim biegunem źródła. W związku z tym
jest ona spolaryzowana zaporowo. Tak samo spolaryzowana jest dioda D2. Jej
anoda jest połączona na stałe z ujemnym biegunem, zaś katoda – zwarta do
dodatniego przez załączoną diodę D1.
Diody D2 i D3 są więc wyłączone, a na każdej z nich panuje napięcie wsteczne
równe co do wartości napięciu źródła (patrz rys. 9b – linie kreskowe).
Oczywiście nie płynie przez nie żaden prąd.
Prostowniki
B 3 ◆ 27
a)
io
ii
D1
iD1
iD2
D2
uD1 uD2
ui
uD3 uD4
iD3
D3
iD4
RL
uo
D4
io
ii
b)
Rys. 9. Niesterowany prostownik mostkowy (mostek Graetza): a) schemat; b) przebiegi
napięć i prądów
28 ◆ B 3
b)
a)
D1
D2
D1
uo
ui
D3
D4
D1
D2
D2
RL
ui
c)
D3
D4
D1
D2
uo
RL
uo
RL
d)
uo
ui
D3
D4
RL
ui
D3
D4
Rys. 10. Mostek Graetza w dwóch taktach pracy z uwzględnieniem rzeczywistych zwrotów napięć i prądów
(oprócz strzałek ui i uo, które są zawsze zgodne z rys. 9) oraz po przybliżeniu diod kluczami idealnymi:
a, b) dodatni półokres napięcia wejściowego ui; c, d) ujemny półokres napięcia wejściowego ui
Również odbiornik RL jest zwarty przez diody D1 i D4 do źródła us. Wynika z
tego, że uo = ui. Prąd wyjściowy io zgodnie z prawem Ohma wynosi uo/RL – jest
więc proporcjonalny do napięcia ui (patrz rys. 9b). Ponieważ prąd ten płynie w
pętli obejmującej cały obwód, więc ii = iD1 = iD4 = io.
Rzeczywiste zwroty napięć i prądów są więc zgodne z rys. 9a oprócz napięć na
diodach D2 i D3, które są polaryzowane wstecznie. Przedstawiają to rys. 10a i
10b.
2. Kiedy napięcie wejściowe ui jest ujemne (tj. ma zwrot przeciwny do
strzałkowania na rys. 9a), sytuacja jest odwrotna. Diody D2 i D3 są polaryzowane
w kierunku przewodzenia, w wyniku czego załączają się (rys. 10c). Z kolei diody
D1 i D4 są polaryzowane w kierunku zaporowym, w wyniku czego wyłączają się.
Ujemne napięcie na diodach D1 i D4 jest równe co do wartości napięciu ui, gdyż
załączone diody D2 i D3 odpowiednio zwierają katodę diody D1 i anodę D4 (rys.
10d).
Diody D2 i D3 zwierają również odbiornik RL do źródła wejściowego. Czynią to
w taki sposób, że górna końcówka odbiornika jest nadal (jak w takcie 1)
zwierana do bieguna źródła o wyższym potencjale (czyli obecnie bieguna
dolnego). Napięcie uo jest więc co do wartości równe ui, ale ma znak dodatni.
Ze względu na stale dodatnią polaryzację napięcia uo, również prąd io płynie w obu taktach w
tę samą stronę – w kierunku zgodnym ze strzałkowaniem na rys. 9a (patrz rys. 9b i 10). Obecnie
prąd ten płynie w obu półokresach, raz przez jedną, raz przez drugą parę diod. W każdym okresie
napięcia wejściowego następują dwa przełączenia prądu: do pary gałęzi D1, D4, a następnie do pary
gałęzi D2, D3. W związku z tym liczba tętnieniowa wynosi 2, a prostownik nazywamy dwupulsowym.
Na każdy okres napięcia wejściowego przypadają w nim dwa sinusoidalne impulsy prądu
wyjściowego.
Również prąd wejściowy płynie w obu półokresach. Kierunek tego prądu jest z kolei zmienny,
zawsze zgodny z kierunkiem napięcia wejściowego (patrz rys. 10). Ze względu na symetrię działania
układu w obu taktach, przebieg prądu ii co do wartości jest w obu półokresach taki sam; zmienia się
tylko jego znak (patrz rys. 9b). Oznacza to, że wartość średnia, czyli składowa stała, jest zerowa.
W tym układzie średnie napięcie wyjściowe wynosi
Prostowniki
U o(av)
B 3 ◆ 29
T 2
T
T
 1 T 2

1
1 
 =  U sinωt dt − U sinωt dt  =
= ∫ u o dt =
u
d
t
+
(
−
u
)d
t
i
i
i(m)
i(m)
∫
∫
 T  ∫0

TT
T  ∫0
T 2
T 2




T 2
T
1
2πt
2 πt 
=  ∫ U i(m)sin
dt − ∫ U i(m)sin
dt =

T 0
T
T
T 2


(3.13)
U i(m)   T
2 πt 
2 πt  
 T
 −
cos
− −
cos
=



T   2π
T 0
T  T 2 
 2π
U i(m)
U i(m)
2
=−
[(cos π − cos 0) − (cos 2 π − cos π)] = −
[(−1 − 1) − (1 + 1)] = U i(m)
2π
2π
π
T 2
T
=
Wartość międzyszczytowa wynosi nadal Ui(m) (patrz rys. 9b). Stąd współczynnik tętnienia napięcia
wyjściowego
ruo =
U o(pp)
U o(av)
=
U i(m)
2
U
π i(m)
=
π
= 1,57
2
(3.14)
wynosi więc dwukrotnie mniej niż w poprzednim układzie. Napięcie wyjściowe jest więc
bliższe stałemu, a jego rzeczywistą stałość można by osiągnąć z użyciem uboższych środków.
30 ◆ B 3
3.3.
Mostek Graetza z kondensatorem
3.3.a. Zmniejszenie tętnienia na wyjściu za pomocą kondensatora
Często przekształtnik ma dostarczyć napięcie nie tylko jednobiegunowe, ale również o małym
tętnieniu. W takim wypadku konieczne jest użycie elementu lub elementów, które zapewnią stałość
napięcia wyjściowego. Można do tego celu użyć pojedynczego elementu biernego
przeciwstawiającego się zmianom napięcia – kondensatora. Rozwiązanie to ma wiele wad, jednak
zwykle jest najprostszym i najtańszym. Stosuje się je przede wszystkim tam, gdzie prąd
pobierany przez odbiornik nie jest duży, lub wymagania co do tętnień nie są zbyt ostre.
Rys. 12a przedstawia układ z rys. 9a z kondensatorem włączonym równolegle do wyjścia.
Przebiegi napięć i prądów w tym układzie pokazuje natomiast rys. 12b. Ponieważ kondensator
przeciwstawia się zmianom napięcia, na pewno nie będzie ono opadać tak szybko jak
poprzednio.
Rozpocznijmy analizę pracy układu w pierwszym, dodatnim maksimum sinusoidy napięcia
wejściowego ui (chwila t1). Za maksimum napięcie ui opada sinusoidalnie jak poprzednio. Natomiast
napięcie uo opada w przybliżeniu wykładniczo (patrz rys. 12b), co wynika z rozładowywania
kondensatora C przez odbiornik RL. W związku z tym uo > ui. Zwróćmy zaś uwagę, że (idąc od źródła
wzdłuż pętli D1 – RL – D4)
u i − u D1 − u o − u D4 = 0 ⇒ u D1 + u D4 = u i − u o
(3.15)
Wynika z tego, że suma napięć na diodach D1 i D4 jest ujemna. A więc nie tylko diody D2 i D3, ale
również D1 i D4 są spolaryzowane zaporowo. Prąd nie płynie przez żadną diodę, a więc prąd
wejściowy jest zerowy. Prąd wyjściowy musi być zaś proporcjonalny do napięcia wejściowego
zgodnie z prawem Ohma.
Przepływ prądu wyjściowego podtrzymywany jest dzięki ładunkowi zmagazynowanemu w
kondensatorze C. Ładunek ten z upływem czasu zmniejsza się, gdyż
∆q C = ∫ io dt
(3.16)
Temu z kolei towarzyszy spadek napięcia na kondensatorze (równego uo) zgodnie z zależnością
uC =
qC
C
(3.17)
Tymczasem napięcie ui spada do zera w chwili t2, a następnie narasta w drugim kierunku.
Zauważmy, że (idąc od źródła w dół wzdłuż pętli D2 – RL – D3)
− u i − u D2 − u o − u D3 = 0 ⇒ u D2 + u D3 = −u i − u o
(3.18)
Obecnie ui jest ujemne, więc −ui jest dodatnie. W chwili t3 napięcie −ui przekracza napięcie uo.
Zgodnie z powyższą zależnością, suma uD2 + uD3 staje się dodania, więc diody D2 i D3 zaczynają
przewodzić (patrz rys. 12b).
W przedziale czasu t3–t4 ma miejsce przepływ prądu ze źródła wejściowego przez diody D2 i D3
do kondensatora C. W ten sposób ładunek kondensatora zostaje uzupełniony do takiej wartości,
jaką miał w chwili t1. W chwili t4 napięcie ui osiąga minimum (czyli −ui osiąga maksimum) –
identycznie jak w chwili t1. W kolejnym półokresie wszystko się powtarza, z tym że napięcie ui staje
się dodatnie, a prąd przewodzą diody D1 i D4.
Jak widać na rys. 12b, wartość średnia napięcia wyjściowego Uo(av) uległa podwyższeniu, zaś
wartość międzyszczytowa Uo(pp) – zmniejszeniu. A więc współczynnik tętnienia ruo zmalał.
Prostowniki
B 3 ◆ 31
a)
io
ii
D1
iD1
iD2
D2
uD1 uD2
ui
C
uD3 uD4
iD3
D3
iD4
RL
uo
D4
io
ii
b)
Rys. 12. Mostek Graetza z kondensatorem: a) schemat; b) przebiegi napięć i prądów
32 ◆ B 3
3.3.b. Odkształcenie prądu wejściowego
Kształt prądu doładowującego kondensator (iD1 = iD4 i iD2 = iD3) widoczny jest na rys. 12b.
Prąd wejściowy ii nadal (jak w układzie bez kondensatora) stanowi sumę prądów diod (ze znakiem
minus, gdyż prąd diod D2 i D3 jest skierowany przeciwnie względem strzałkowania ii). W związku z
tym jego kształt odbiega od sinusoidy z rys. 9b. Tymczasem napięcie wejściowe – jako napięcie sieci
– nadal jest sinusoidalne. W układzie z kondensatorem występuje więc odkształcenie prądu
względem napięcia (patrz instrukcja 0, par. 2.5).
Jeżeli przebieg jest odkształcony od sinusoidy, to zgodnie z twierdzeniem Fouriera można go
rozpatrywać jako sumę składowej podstawowej – sinusoidy o częstotliwości podstawowej tego
przebiegu, oraz składowych harmonicznych – szeregu sinusoid o częstotliwościach równych
kolejnym wielokrotnościom częstotliwości podstawowej. Współczynnik zniekształceń
harmonicznych prądu wejściowego dhi jest więc niezerowy. Z drugiej strony odkształcenie prądu
względem napięcia oznacza, że z punktu widzenia wejścia układ przekształtnik-odbiornik traci
charakter rezystancyjny. Pojawia się więc moc bierna, a współczynnik mocy jest mniejszy od
jedności.
Podtrzymajmy założenie o idealnie sinusoidalnym kształcie napięcia. Oznaczać to będzie,
że zawiera ono jedynie składową podstawową. Z definicji współczynnika mocy (patrz instrukcja 0,
par. 2.4) i wzoru Parsevala dla mocy czynnej
∑ Pi( k )
Pi
λ= = k
=
Si
Ui Ii
∑ U i( k ) I i( k ) cos ϕ i( k )
k
(3.19)
Ui Ii
Ponieważ napięcie zawiera tylko składową podstawową, więc Ui(1) = Ui, zaś pozostałe Ui(k) są zerowe.
Stąd
λ=
U i I i(1) cos ϕ i(1)
Ui Ii
=
I i(1) cos ϕ i(1)
(3.20)
Ii
gdzie Ii(1) jest wartością skuteczną składowej podstawowej prądu wejściowego, zaś φi(1) –
przesunięciem fazowym między tą składową a napięciem wejściowym ui.
Z kolei współczynnik zniekształceń harmonicznych prądu
∞
∞
∑ I i2( k )
d hi =
k =2
I i(1)
∑ I i2( k ) − I i2(1)
k =1
=
I i(1)
=
2
I i(a)
− I i2(1)
I i(1)
(3.21)
gdzie Ii(a) jest wartością skuteczną składowej przemiennej prądu wejściowego. W naszym przypadku
prąd ten nie ma składowej stałej, więc wartość skuteczna składowej przemiennej jest równa
wartości skutecznej całego przebiegu – Ii(a) = Ii. Dlatego
d hi =
2
I i(a)
− I i2(1)
I i(1)
=
I i2 − I i2(1)
I i(1)
 I
=  i
 I i(1)

2

 −1


(3.22)
Stąd po przekształceniach
Ii
I i(1)
= 1 + d h2i
Podstawiając powyższe do (3.20) otrzymujemy ostatecznie
(3.23)
Prostowniki
B 3 ◆ 33
λ=
I i(1) cos ϕ i(1)
Ii
=
cos ϕ i(1)
1 + d h2i
(3.24)
gdzie – przypomnijmy – φi(1) jest przesunięciem fazowym między składową podstawową prądu
wejściowego ii a napięciem wejściowym ui.
Zależność ta wiąże współczynnik mocy ze współczynnikiem zniekształceń
harmonicznych prądu przy założeniu, że napięcie jest sinusoidalne. Im większe zniekształcenia
prądu (odkształcenie od sinusoidy), tym niższy współczynnik mocy. Potwierdza to nasze
wcześniejsze przewidywania.
3.3.c. Kompatybilność elektromagnetyczna
Wiadomo (patrz instrukcja 0, par. 2.4), że niska wartość współczynnika mocy jest niekorzystna
dla sieci energetycznej. Niekorzystny jest również, będący przyczyną niskiego współczynnika mocy,
sam niesinusoidalny kształt prądu typowy dla prostowników.
Rzeczywista sieć nie jest idealnie sztywna – tzn. jej napięcie nie jest zupełnie niezależne od
prądu. Przy intensywnym poborze prądu napięcie to ulega zmniejszeniu. Jeżeli do sieci
przyłączonych jest wiele urządzeń zasilanych z prostowników, to wszystkie one pobierają duży
prąd w okolicy maksimum sinusoidy napięcia. To duże chwilowe obciążenie powoduje
obniżenie wartości napięcia w okolicy maksimum. Sinusoida staje się więc spłaszczona, czyli
samo napięcie ulega zniekształceniu.
Powyższe zjawisko oznacza pogorszenie warunków zasilania (spadek wartości skutecznej
napięcia, możliwe zakłócenie pracy niektórych odbiorników przyłączonych do sieci). Obserwujemy
więc niekorzystne oddziaływanie jednego układu (prostownika) na inne pracujące w tym samym
środowisku (przyłączone do tej samej sieci). Zagadnienie to określamy mianem kompatybilności
elektromagnetycznej urządzeń (ang. electromagnetic compatibility, EMC). Ma ono 3 aspekty –
urządzenie kompatybilne elektromagnetycznie:
1º nie zakłóca pracy innych urządzeń,
2º nie jest wrażliwe na zakłócające oddziaływanie pochodzące od innych urządzeń,
3º nie zakłóca własnej pracy.
W celu zapewnienia bezproblemowej pracy wielu urządzeń w jednym środowisku, opracowano i
wprowadzono w życie szereg norm dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej. W
interesującym nas aspekcie ograniczają one dopuszczalną zawartość harmonicznych w prądzie
pobieranym przez dane urządzenie z sieci. Normy te podają, jaką wartość skuteczną mogą osiągać
poszczególne harmoniczne w stosunku do mocy znamionowej urządzenia lub do wartości skutecznej
całego przebiegu prądu.
Jak wynika z zależności (3.24), poprawa kompatybilności elektromagnetycznej skutkuje
jednocześnie korzystniejszym obciążeniem generatora i sieci przesyłowej.
C
Doświadczenie
4. Pomiary
4.1.
Układ laboratoryjny
Badany układ statecznika
Badaniom poddawana jest typowa tania świetlówka kompaktowa ze statecznikiem
elektronicznym. Moc znamionowa lampy wynosi Pn = 11 W, napięcie znamionowe Un = 230 V.
Pełny schemat statecznika przedstawiony jest na rys. 13. Jak widać, należy on do rodziny
układów półmostkowych. Półmostek jest tworzony przez tranzystory T1 i T2 (gałąź aktywna) oraz
kondensator C1 (gałąź bierna). Mostek jest więc niesymetryczny – brak kondensatora dołączonego
do masy. W przekątną mostka są włączone: lampa z kondensatorem C3, dławik L i uzwojenie
pierwotne transformatora Ltra.
Dla uproszczenia analizy przyjęto, że masa układu znajduje się w punkcie Z. W związku z tym
wartość potencjału punktu C jest równa wartości napięcia wyprostowanego zasilającego falownik,
które jak w paragrafie 2.3.c oznaczymy przez ud.
Poszczególne bloki funkcjonalne (zgodnie z rys. 5) obejmują:
prostownik – mostek diodowy D1…D4;
filtr dolnoprzepustowy – kondensator C6;
falownik – półmostek T1, T2, C1;
właściwy statecznik – dławik L;
blok kształtowania prądu wyjściowego – obwód rezonansowy L, C1;
blok zapłonu – obwód rezonansowy L, C3;
blok podgrzewania wstępnego – kondensator C3.
Ze schematu wynika, że falownik jest zasilany napięciowo, gdyż napięcie wyprostowane ud z
wyjścia filtru prostownika jest podawane bezpośrednio na wejście falownika.
Mimo niesymetrycznej formy półmostka (brak dolnego kondensatora w gałęzi biernej), działanie
układu jest praktycznie identyczne z opisanym w paragrafie 2.3.c. Różnica polega na tym, że w
takcie 2 prąd nie płynie do masy, ale zamyka się w pętli tworzonej przez tranzystor T1 i kondensator
36 ◆ C 4
C1. Tym samym w takcie 2 układ nie jest zasilany z wyjścia prostownika – brak bowiem drogi
powrotu prądu do ujemnego bieguna kondensatora C6. Lampa jest wówczas zasilana energią
zgromadzoną podczas taktu 1 w dławiku L i kondensatorze C1.
C
iD
RB1
T1
C4
D2
iK
D3
Ltrb
RE1
A
R1
C1
C3
E
ii
AC 230 V
50 Hz
R4
R3
ui
C6
iG
Ltra
ud
B
ifl
L
D1
D4
RB2
uinv
F
H
iH
ufl
T2
C5
RE2
D5
Ltrc
Z
Rys. 13. Schemat badanego układu statecznika lampy fluorescencyjnej z oznaczeniem wyprowadzonych punktów
pomiarowych i fragmentów przewodów (pogrubione linie)
Prowadzenie pomiarów
Układ laboratoryjny umożliwia pomiar napięć za pomocą sond napięciowych. Służą do tego
wtyki bananowe z dodatkowymi wyprowadzeniami umożliwiającymi przyłączenie sondy. Wtyki te
mogą być dowolnie przenoszone w zależności od bieżących potrzeb pomiarowych.
Możliwy jest również pomiar prądów przez zamknięcie sondy prądowej wokół jednego z
fragmentów przewodów wyprowadzonych nad panel układu oraz z tyłu obudowy. Lokalizację tych
fragmentów na schemacie (rys. 13) symbolizuje pogrubienie linii; strzałka obok wskazuje kierunek
prądu, który należy przyjąć za dodatni.
Aby ułatwić wykonywanie niektórych pomiarów oraz zwiększyć bezpieczeństwo użytkownika,
układ ma wbudowany na wejściu transformator separacyjny. Może on być włączony lub
wyłączony z obwodu (czego wymagają niektóre pomiary) za pomocą dwóch przełączników z tyłu
obudowy układu laboratoryjnego. Oba przełączniki powinny zawsze znajdować się w tym samym
położeniu (I lub II).
Uwaga! Układ zasilany jest niebezpiecznym napięciem. W związku z tym należy
bezwzględnie przestrzegać następujących zasad bezpieczeństwa.
1. Wszystkie napięcia, ze względu na występujące amplitudy względem masy, powinny być
mierzone za pomocą sond z dzielnikiem 1:10 o napięciu dopuszczalnym 600 V.
2. Nie należy dotykać wyprowadzeń gniazd bananowych na panelu ani wyprowadzeń z
zamocowanych w nich wtyków bananowych. Grozi porażeniem napięciem o wartości
powyżej 300 V!
3. Przenoszenie bananowych wtyków pomiarowych jest dozwolone wyłącznie przy
wyłączonym zasilaniu układu.
Pomiary
4.2.
C 4 ◆ 37
Dwustopniowy przekształtnik AC-AC
Przygotowanie układu
Aby nie tracić czasu, równolegle z pkt. 1 należy wykonywać kolejne punkty.
1. Włączyć komputer. Po zakończeniu logowania skonfigurować połączenie oscyloskopu z
komputerem zgodnie z instrukcją dostępną na stanowisku.
2. Włączyć oscyloskop i wprowadzić następujące ustawienia:
Większość przycisków oscyloskopu HM1507 może realizować 2 lub 3 funkcje:
1)
przez krótkie wciśnięcie (funkcja podstawowa),
2)
przez wciśnięcie i przytrzymanie do sygnału dźwiękowego (funkcja oznaczona przez
3)
przez wciśnięcie jednocześnie z sąsiednim przyciskiem (funkcja oznaczona przez
),
).
Jeżeli oscyloskop nie zachowuje się w sposób opisany w instrukcji, należy w pierwszej kolejności
upewnić się, że nie została pomyłkowo uaktywniona inna funkcja danego przycisku.
tryb pracy z cyfrową pamięcią (o ile nie jest już włączony) – przytrzymać przycisk
HOLD do sygnału dźwiękowego i zapalenia się dowolnej z kontrolek STOR. MODE;
tryb pamięci z cyklicznym odświeżaniem – przyciski STOR. MODE
/ , ustawić RFR;
wyświetlanie przebiegów z obu kanałów – przycisk DUAL;
sprzężenie ze składową stałą (na obu kanałach) – przycisk AC DC, sygnalizacja na
ekranie obok opisu kanału Y1 lub Y2: „=” – sprzężenie ze składową stałą (DC), „~” –
sprzężenie bez składowej stałej (AC);
uwzględnianie tłumienia sondy napięciowej 1:10 (na obu kanałach) – przycisk AC DC
przytrzymany (uwzględnianie tłumienia sondy sygnalizowane jest na ekranie przez
symbol sondy obok opisu odpowiednio Y1 lub Y2);
odwracanie przebiegu wyłączone (na obu kanałach) – przycisk INV (odwracanie
przebiegu sygnalizowane jest na ekranie przez kreskę nad symbolem kanału
odpowiednio Y1 lub Y2);
wyzwalanie napięciem sieciowym – przycisk TRIG. MODE, ustawić „~” (dokładnie takie
ustawienie, nie żadne inne);
3.
4.
5.
6.
zera obu kanałów (znaczniki ⊥) na tym samym poziomie, na środku ekranu – pokrętła
Y‑POS.
Oba przełączniki z tyłu obudowy układu laboratoryjnego przełączyć w pozycję II.
Przełącznik zasilania na panelu układu ustawić w pozycji „O”. Włączyć układ do sieci poprzez
dodatkowy przedłużacz.
Sprawdzić, czy po załączeniu zasilania przełącznikiem na panelu układu lampa świeci – jeżeli
nie, wyłączyć zasilanie i poprosić o pomoc prowadzącego.
Wyłączyć zasilanie układu przełącznikiem na panelu.
Przebiegi napięć i prądów
7. Zaobserwować przebiegi od strony wejścia układu:
a) Sondę napięciową podłączoną do kanału 1 oscyloskopu przyłączyć do układu tak, aby
mierzyć napięcie wejściowe ui. Ewentualne inne sondy powinny pozostać nie przyłączone
do układu.
Przed wykonaniem kolejnego podpunktu,
pomiarowym musi sprawdzić prowadzący!
poprawność
połączeń
w
układzie
38 ◆ C 4
b) Załączyć zasilanie układu.
c) Na oscyloskopie wyświetlić wyłącznie przebieg z kanału 1 (przycisk CH I) i dostosować:
podstawę czasu do obserwowanego przebiegu tak, aby widoczne były 2–4 jego okresy,
wzmocnienie kanału 1 tak, aby przebieg maksymalnie wypełniał ekran w pionie, ale
pozań nie wykraczał (nie zmieniać położenia poziomu zera pokrętłem Y-POS).
Obserwowane odkształcenie przebiegu od sinusoidy wynika z faktu, że transformator
separacyjny nie jest sztywnym źródłem napięcia, tzn. napięcie na uzwojeniu wtórnym spada,
kiedy układ zasilany pobiera prąd.
d) Zapisać mierzony na kanale 1 przebieg ui w pamięci oscyloskopu:
krótko wcisnąć REFERENCE tyle razy, aby zapalona była wyłącznie kontrolka I,
następnie ponownie wcisnąć REFERENCE i przytrzymać do sygnału dźwiękowego,
po czym przebieg powinien zacząć być widoczny w tle ekranu (można to sprawdzić
nieznacznie przesuwając przebieg z kanału 1 pokrętłem Y-POS, po czym należy od razu
przywrócić położenie poziomu zera na środku ekranu).
e) Wyłączyć zasilanie układu przełącznikiem na panelu.
f) Odłączyć obie końcówki sondy od układu.
g) Sondy z kanałów 1 i 2 oscyloskopu przyłączyć do układu tak, aby mierzyć:
na kanale 1 – napięcie na wyjściu prostownika ud,
na kanale 2 – potencjał na środku gałęzi aktywnej falownika (względem masy Z) uinv.
Masy sond napięciowych (końcówki krokodylkowe) są na oscyloskopie zwarte ze sobą i
połączone z przewodem ochronnym sieci; w związku z tym muszą być zawsze
przyłączone do tego samego potencjału. Inne połączenie grozi przepływem prądu przez
oscyloskop i uszkodzeniem jego obwodów wejściowych!
Przed wykonaniem kolejnego podpunktu, poprawność połączeń musi sprawdzić
prowadzący!
h) Załączyć zasilanie układu.
i) Wyświetlić przebiegi z obu kanałów 1 i 2 wciskając DUAL. Nie zmieniając żadnych innych
ustawień, ustawić na kanale 2 identyczne wzmocnienie i poziom zera, co na kanale 1. Jeżeli
przebieg ud nakłada się na przebieg uinv, nieznacznie zmienić położenie jego poziomu zera
tylko na tyle, by przebiegi nie nakładały się.
j) Zestaw 3 przebiegów {ud, uinv, ui} obserwowany na oscyloskopie pobrać na komputer – w
programie SP107 wcisnąć Read. Upewnić się, że każdy z 3 przebiegów jest widoczny. Zapisać
przebiegi do pliku w formacie MES (z formatu tego należy korzystać przez cały czas
wykonywania niniejszego ćwiczenia).
Przebiegi zapisane w pamięci oscyloskopu (tzn. przyciskiem REFERENCE) pobierają się jako Ref I
(przebieg zapisany z kanału 1) i Ref II (przebieg zapisany z kanału 2). Pobierają się te przebiegi z
pamięci, dla których aktualnie świeci się odpowiednia kontrolka I lub II obok przycisku
REFERENCE.
8. Zaobserwować przebiegi napięć półmostka:
a) Usunąć zapisany w pamięci przebieg napięcia wejściowego ui z ekranu – krótko wcisnąć
REFERENCE tyle razy, aż obie kontrolki I i II zgasną.
b) Włączyć wyzwalanie poziomem stałym – ustawić TRIG. MODE na DC, oraz źródło
wyzwalania na przebieg potencjału na środku gałęzi aktywnej uinv – wciskać TRIG do
zapalenia się kontrolki odpowiedniego kanału.
c) Ustawić najwyższy poziom wyzwalania, przy którym oscyloskop wyzwala się jeszcze
poprawnie – zwiększać nastawę pokrętłem LEVEL dopóki palić się będzie kontrolka
wyzwalania TR.
Pomiary
C 4 ◆ 39
d) Zmienić podstawę czasu tak, aby możliwa była obserwacja okresowej zmienności przebiegu
uinv (zmienności przebiegu, nie zmienności jego górnej obwiedni, która może być
obserwowana już w tej chwili bez jakichkolwiek zmian nastaw). Nie zmieniać żadnych
innych ustawień. Wynik należy skonsultować z prowadzącym.
e) Pobrać i zapisać zestaw 2 przebiegów {ud, uinv} obserwowany na oscyloskopie.
9. Zaobserwować przebiegi prądów w powiązaniu z potencjałem na środku gałęzi aktywnej uinv:
a) Odłączyć sondę napięciową z kanału 1 od układu, a następnie od oscyloskopu. Na jej miejsce
przyłączyć do oscyloskopu sondę prądową.
b) Włączyć sondę prądową. Czerwona kontrolka ON powinna się ciągle świecić.
c) Skonfigurować sondę zgodnie z procedurą podaną w dodatkowej instrukcji dostępnej na
stanowisku.
Współczynnik przetwarzania prąd-napięcie sondy prądowej wynosi 100 mV/1 A = 1:10; wartość
mierzona na kanale 1 będzie więc wartością natężenia prądu w amperach pod warunkiem, że
utrzymane zostanie uwzględnianie tłumienia 1:10 (patrz pkt 2).
Podczas pomiaru prądów należy zachować szczególną ostrożność, aby nie wyrwać
przewodów z płytki drukowanej układu! Sondę prądową należy zapinać i odpinać
delikatnie oraz trzymać ją w ręku przez cały czas wykonywania pomiaru.
d) Ostrożnie zamknąć sondę prądową wokół fragmentów przewodów oznaczonych jako iG oraz
iH tak, aby obserwować niedostępny dla nas prąd lampy ifl jako różnicę prądów
kondensatora C1 i kondensatora C3 (zwrócić uwagę na strzałkowanie prądów zgodnie z rys.
13; kierunek traktowany przez sondę jako dodatni oznaczony jest na jej cęgach).
Sonda prądowa mierzy strumień pola magnetycznego wzbudzanego przez prąd płynący w
przewodzie, wokół którego zamknięte zostały jej cęgi. Jeżeli cęgi zostaną zamknięte wokół dwóch
przewodów, sonda zmierzy sumę strumieni, a więc sumę prądów. Jeżeli jeden z tych przewodów
zostanie wprowadzony między cęgi w odwrotnym kierunku, strumień jego pola magnetycznego
będzie odwrotnie skierowany, a więc będzie się odejmować od strumienia pochodzącego od
drugiego przewodu; tym samym uzyskamy pomiar różnicy prądów.
W badanym układzie występują szybkozmienne napięcia o wysokiej amplitudzie. Powoduje to
emisję silnego pola elektromagnetycznego bezpośrednio z układu. Pole to zakłóca pracę sondy
prądowej, co można stwierdzić lekko zmieniając jej położenie i orientację – wskazanie na
oscyloskopie ulega wówczas zmianie. W celu minimalizacji wpływu tego zjawiska na wynik
pomiaru, sondę należy trzymać obok układu, w pewnej odległości (na ile pozwalają na to
przewody).
e) Dostosować wzmocnienie kanału 1 tak, aby prąd lampy był widoczny w maksymalnym
powiększeniu, ale nie wykraczał poza ekran. Nie zmieniać położenia poziomu zera pośrodku
ekranu.
f) Zapisać przebieg prądu lampy w pamięci oscyloskopu [patrz pkt 7.d)].
g) Ostrożnie przełożyć sondę prądową zamykając ją wokół odpowiedniego fragmentu
przewodu tak, aby obserwować prąd kolektora tranzystora T1 iC,T1 (zwrócić uwagę na
zwrot).
Z powodu występowania wspomnianych wyżej zakłóceń, sondę należy ustawić pod takim kątem,
aby w odcinkach czasu, w których prąd tranzystora nie płynie (por. rys. 7), przebieg był na
ekranie widoczny zgodnie z rzeczywistością – jako pozioma linia blisko poziomu zera.
h) Włączyć odwracanie przebiegu z sondy (przycisk INV kanału 1, patrz pkt 2) tak, aby prąd
iC,T1 był obserwowany z tym samym zwrotem, co prąd lampy ifl (względem pętli taktu 2: C1 –
L – T1). Nie zmieniać żadnych innych ustawień.
i) Pobrać i zapisać zestaw 3 przebiegów {iC,T1, uinv, ifl} obserwowany na oscyloskopie.
j)
Koniecznie wyłączyć odwracanie przebiegu na kanale sondy prądowej (INV).
k) Odłączyć sondę prądową od układu i wyłączyć ją.
40 ◆ C 4
10. Zaobserwować przebieg napięcia na lampie:
a) Usunąć przebieg prądu lampy ifl z ekranu [patrz pkt 8.a)].
b) Wyłączyć zasilanie układu.
c) Powtórnie dołączyć do kanału 1 sondę napięciową.
d) Na kanale, do którego przyłączona była sonda prądowa, ponownie ustawić identyczne
wzmocnienie, co na drugim z kanałów. Poziomy zera powinny pozostać ustawione na
środku ekranu.
e) Sondy napięciowe przyłączyć do układu:
masy obu sond – do punktu Z,
końcówkę gorącą sondy z kanału 1 – do punktu H,
końcówkę gorącą sondy z kanału 2 – do punktu F.
f) Załączyć zasilanie układu.
g) Ustawić poziom wyzwalania na najwyższy, przy którym oscyloskop się jeszcze wyzwala
[patrz pkt 8.c), przy czym może być konieczne zmniejszenie tego poziomu w stosunku do
obecnej nastawy].
h) Odwrócić przebieg napięcia uFZ (INV).
i)
Włączyć funkcję sumy ADD (przyciski DUAL i CH II wciśnięte jednocześnie). Pomyślne
wykonanie tej czynności zostanie zasygnalizowane na ekranie znakiem „+” między opisami
kanałów Y1 i Y2. W przeciwnym razie należy najpierw wyłączyć omyłkowo włączoną inną
funkcję, a następnie spróbować wcisnąć wskazane przyciski jeszcze raz.
Widoczny na oscyloskopie przebieg powstał przez dodanie do napięcia uHZ odwróconego
napięcia uFZ:
u HZ + (−u FZ ) = u HZ − u FZ = vH − vF = u HF = ufl
Mierzymy więc obecnie napięcie na lampie ufl.
j) Pobrać i zapisać przebieg ufl widoczny na ekranie oscyloskopu.
k) Koniecznie wyłączyć obie funkcje ADD i INV.
11. Wyłączyć zasilanie układu i odłączyć go (wtyczkę dodatkowego przedłużacza) od sieci.
(4.1)
Pomiary
4.3.
C 4 ◆ 41
Działanie prostownika
1. * Wyłączyć z obwodu transformator separacyjny poprzez przełączenie obu przełączników z tyłu
obudowy w pozycję I.
Uwaga!
W tej chwili nie należy włączać układu (dodatkowego przedłużacza) do sieci.
Od tego momentu należy zachować szczególną ostrożność, gdyż układ nie będzie izolowany
od sieci! Dotknięcie któregokolwiek z metalowych punktów spowoduje porażenie
napięciem o wartości powyżej 300 V!
2. * Przystosować układ do jednoczesnego pomiaru napięcia i prądu wejściowego:
a) Odłączyć obie sondy napięciowe od układu. Sondę z kanału 2 odłączyć od oscyloskopu.
b) Przełożyć 2 końcówki pomiarowe do gniazd A i B (pozostawiając końcówkę z gniazda Z na
miejscu).
c) Na oscyloskopie ustawić synchronizację napięciem sieci (TRIG. MODE: „~”).
Przed wykonaniem kolejnego podpunktu, poprawność połączeń musi sprawdzić
prowadzący!
d) Włączyć układ (dodatkowy przedłużacz) do sieci i załączyć zasilanie.
Używając testera fazy w następnym podpunkcie, należy go trzymać wyłącznie za
plastikowy korpus i w żadnym wypadku nie dotykać metalowych elektrod na bokach
korpusu!
e) Za pomocą testera fazy stwierdzić, które z gniazd A czy B połączone jest z przewodem
fazowym. (Wykrycie napięcia fazowego jest sygnalizowane przez zapalenie się czerwonej
diody.)
f) Wyłączyć zasilanie układu.
g) Masę sondy napięciowej przyłączyć do bolca przewodu ochronnego (PE) w przedłużaczu –
poprzez dostępny w laboratorium krótki przewód z końcówką krokodylkową o większym
rozwarciu niż końcówka masy sondy. Końcówkę gorącą sondy przyłączyć do punktu, w
którym wykryto napięcie fazowe. W ten sposób mierzone będzie napięcie wejściowe ui.
h) Do kanału 2 oscyloskopu przyłączyć sondę prądową i włączyć ją. W razie potrzeby – jeżeli
przebieg nie znajduje się obecnie na poziomie zera kanału 2 – powtórzyć jej konfigurację
zgodnie z dodatkową instrukcją.
3. * Zarejestrować przebiegi w prostowniku wejściowym:
a) Załączyć zasilanie układu.
b) Dostosować podstawę czasu do częstotliwości napięcia sieci tak, aby obserwować 3–5 jego
okresów.
c) Sondę prądową zapiąć wokół przewodu iK wyprowadzonego z tyłu układu tak, by chwilowy
zwrot mierzonego prądu wejściowego ii = iK pozostawał w zgodzie z chwilowym zwrotem
napięcia wejściowego ui:
jeżeli fazę wykryto w punkcie A, a więc zwrot napięcia ui jest zgodny z rys. 13, to sondę
prądową należy założyć również zgodnie ze zwrotem iK na rys. 13 i na obudowie układu;
jeżeli fazę wykryto w punkcie B, to sondę prądową należy założyć odwrotnie.
d) Dostosować wzmocnienie obu kanałów oscyloskopu do obserwowanej amplitudy
przebiegów. Położenie poziomów zera powinno pozostać ustawione na środku ekranu.
42 ◆ C 4
e) Jeżeli prąd widoczny jest ze znakiem przeciwnym niż napięcie danego półokresu, oznacza to,
że sondę prądową włączono przeciwnie do napięcia wejściowego i należy zmienić kierunek
jej włączenia.
f) Pobrać i zapisać widoczne na oscyloskopie przebiegi napięcia i prądu wejściowego {ui, ii}.
g) Wyłączyć zasilanie układu i odłączyć go (dodatkowy przedłużacz, nie wtyczkę) od sieci.
4. * Zbadać skutki zwiększenia pojemności filtru C6 obserwowane na wejściu układu:
a) Równolegle do obecnego kondensatora C6 o wartości 2,2 µF, a więc między wyprowadzenia
punktów Z i C, włączyć dodatkowy kondensator wskazany przez prowadzącego. Zwrócić
uwagę na poprawną polaryzację zgodnie ze znakiem „−” na obudowie kondensatora i ze
schematem układu (rys. 13).
Przed wykonaniem kolejnego
skontrolować prowadzący!
punktu
sposób
włączenia
kondensatora
musi
b) Włączyć układ do sieci i załączyć zasilanie.
c) Zamrozić przebiegi na ekranie – przycisk HOLD. Wyłączyć zasilanie.
d)
e)
f)
g)
Pobrać i zapisać widoczne na oscyloskopie przebiegi napięcia i prądu wejściowego {ui, ii}.
Koniecznie odmrozić przebiegi – przycisk HOLD.
Odłączyć sondę prądową od układu i wyłączyć ją. Odłączyć sondę prądową od oscyloskopu.
Włączyć w obwód transformator separacyjny przełączając oba przełączniki z tyłu obudowy
w pozycję II.
5. * Zbadać skutki zwiększenia pojemności filtru obserwowane na wyjściu prostownika:
a) Sondę napięciową przełączyć tak, by mierzyła napięcie ud.
b) Wyświetlić wyłącznie przebieg z kanału 1 (CH I).
c) Załączyć zasilanie układu.
d) Zamrozić przebieg na ekranie (HOLD). Wyłączyć zasilanie.
e) Pobrać i zapisać obserwowany przebieg napięcia ud.
f) Koniecznie odmrozić ekran (HOLD).
6. * Odłączyć układ od sieci.
Niekompletne wykonanie następnego punktu grozi porażeniem ładunkiem zgromadzonym
w kondensatorze!
7. * Przełożyć sondę napięciową dokładnie na nóżki dodatkowego kondensatora i stwierdzić, czy
na pewno jest on już rozładowany (na oscyloskopie przebieg stały na poziomie zera
odpowiedniego kanału wskazywanym przez znacznik). Jeżeli tak – odłączyć kondensator od
układu. W przeciwnym razie lub w razie wątpliwości poprosić o pomoc prowadzącego.
D
Wyniki
5. Opracowanie i analiza wyników
5.1.
Badany układ jako wielostopniowy przekształtnik elektroniczny
1. Na podstawie rys. 5 i opisu w par. 4.1 sporządzić schemat blokowy badanego układu. Obecność
transformatora separacyjnego pominąć, gdyż spełniał on wyłącznie rolę bezpieczeństwa i nie
występuje w rzeczywistych układach.
2. Opierając się na oscylogramach zarejestrowanych w pkt. 4.2/7–9, wyznaczyć podstawowe
parametry przebiegów w charakterystycznych punktach układu:
Do wyznaczania wartości napięć, prądów i czasów należy wykorzystać program SP107 i dostępne tam
kursory. Wartości napięć w miejscach wskazywanych przez kursory są podawane w ramce Cursor w
wierszach CH I i CH II. W kolumnie CI-CII podawana jest różnica wartości między kursorem 1 a 2.
Poniżej, w polach dt i 1/dt podawana jest długość odcinka czasu między kursorami oraz odwrotność
tej długości. Aby poruszać się po przebiegach z pamięci oscyloskopu – Ref I i Ref II – należy
zaznaczyć pole Ref.
Oscyloskop (o ile został poprawnie skonfigurowany) poprawnie uwzględniał współczynnik
przetwarzania prąd-napięcie sondy prądowej [patrz pkt 4.2/9.c)]. W związku z tym wartości z
przebiegów prądów można odczytywać bezpośrednio – wartość odczytana kursorem będzie
natężeniem prądu w amperach.
a) na wejściu prostownika ui (zestaw przebiegów zarejestrowany w pkt. 4.2/7, por. rys. 12b):
kształt (do jakiego typowego jest najbliższy, jakie są ewentualne odkształcenia),
amplitudę (wartość maksymalną) Ui(m),
częstotliwość fi;
b) na wyjściu filtru prostownika ud (zestaw przebiegów zarejestrowany w pkt. 4.2/7, por. rys.
12b):
kształt (jak wyżej),
wartość średnią wyprostowaną Ud(av), za którą można w przybliżeniu uznać średnią z
wartości szczytu ud(pk) i doliny ud(val),
44 ◆ D 5
częstotliwość tętnienia fd,
wartość międzyszczytową tętnienia Ud(pp);
c) wewnątrz falownika uinv = uCE,T2 (zestaw przebiegów zarejestrowany w pkt. 4.2/8, por. rys.
7):
kształt,
amplitudę (poziom wysoki) Uinv(m),
częstotliwość finv;
d) na wyjściu falownika io = ifl = iH − iG (zestaw przebiegów zarejestrowany w pkt. 4.2/9, por.
rys. 7):
Dokładnie rzecz biorąc, wielkością wyjściową falownika jest prąd przekątnej mostka iH. Z zasady
działania układu wiadomo jednak, że po zapłonie lampy prąd iG ma wartość dużo mniejszą od
prądu lampy ifl i nie ma on znaczenia funkcjonalnego. Kluczowe znaczenie ma natomiast prąd
lampy ifl. Uzasadnia to rozpatrywanie właśnie prądu lampy jako wielkości wyjściowej. Mówiąc
ściśle, stanowi on wielkość wyjściową statecznika (a więc wszystkiego, co otacza lampę), a nie
falownika.
kształt,
amplitudę (wartość maksymalną) Io(m),
częstotliwość fo.
3. Wszystkie wyniki z pkt. 2 nanieść na schemat blokowy z pkt. 1.
4. Na podstawie schematu z naniesionymi parametrami, wykazać, że zbadany układ jest
przekształtnikiem wielostopniowym (patrz par. 2.3.b).
Opracowanie i analiza wyników
5.2.
D 5 ◆ 45
Praca tranzystorów w falowniku półmostkowym
1. W programie SP107 otworzyć plik zawierający przebieg napięcia kolektor-emiter tranzystora T2
uCE,T2, zapisany w pkt. 4.2/8. Za pomocą kursora wyznaczyć wartość szczytową tego napięcia
uCE,T2(pk).
2. W programie SP107 otworzyć plik zawierający przebieg prądu kolektora tranzystora T1 iC,T1,
zapisany w pkt. 4.2/9. Za pomocą kursora wyznaczyć wartość szczytową tego prądu iC,T1(pk).
3. Korzystając z załączonej karty katalogowej tranzystora 13001 przeanalizować, w jaki sposób
projektant statecznika dobrał ten tranzystor do swojego układu:
Jak wynika z zasady działania układu, oba tranzystory pracują w prawie identycznych warunkach.
Dlatego można przeanalizować jedne parametry wyznaczone dla tranzystora T1, a inne – dla T2.
a) Porównać roboczą wartość szczytową napięcia kolektor-emiter uCE,T2(pk) – wyznaczoną w
pkt. 1 – ze znamionową wytrzymałością napięciową; oszacować występujący margines
bezpieczeństwa. Zwrócić uwagę na wybór odpowiedniego z dwóch parametrów
znamionowych (patrz instrukcja 5A, par. 2.3).
Jak widać na rys. 13, w badanym układzie między bazą a emiterem tranzystora T1 występuje
wyłącznie rezystor oraz cewka, która w stanie ustalonym ma zerową impedancję (stanowi
zwarcie). W przypadku tranzystora T2 występuje wprawdzie dodatkowy, szeregowy kondensator,
który może działać jak rozwarcie; jednak w czasie, gdy tranzystor jest wyłączany lub wyłączony,
wymuszane jest ujemne napięcie baza-emiter, co powoduje, że przewodzi (stanowi zwarcie) dioda
D5.
b) Porównać roboczą wartość szczytową prądu kolektora iC,T1(pk) – wyznaczoną w pkt. 2 – z
ciągłym prądem znamionowym; obliczyć występujący margines bezpieczeństwa.
c) Na diagramie obszaru bezpiecznej pracy podanym w karcie katalogowej zlokalizować i
zaznaczyć skrajne punkty pracy tranzystora w stanach statycznych: szczytowy prąd w
stanie przewodzenia iC,T1(pk) i szczytowe napięcie w stanie blokowania uCE,T2(pk). (Spadek
potencjału w stanie przewodzenia oraz prąd upływu w stanie blokowania nie są znane –
należy przyjąć, że są zaniedbywalnie małe.) Stwierdzić, czy punkty te mieszczą się w
granicach obszaru bezpiecznej pracy.
d) Z charakterystyki wzmocnienia prądowego βF podanej w karcie katalogowej (jako hFE)
odczytać, ile w przybliżeniu wynosi to wzmocnienie dla badanego tranzystora przy
szczytowym prądzie kolektora iC,T1(pk) (przyjąć niższy ze spadków potencjału UCE = 1,5 V).
Obliczyć przybliżoną wartość prądu bazy IB, jaką musi zapewniać transformator w badanym
układzie, aby poprawnie wysterować tranzystory.
4. W ofercie sprzedawców przyrządów półprzewodnikowych wyszukać po jednym, możliwie
najtańszym tranzystorze każdego typu: BJT, MOSFET i IGBT, o parametrach zbliżonych do
tranzystora 13001 (napięcie znamionowe – zgodnie z instrukcją 5A, par. 2.3; prąd znamionowy).
Wydrukować lub zapisać obraz stron internetowych z danymi znalezionych tranzystorów.
Możliwe, że niektóre parametry będą musiały mieć wartości większe niż dla tranzystora 13001, nie
mogą być jednak znacząco mniejsze, gdyż tranzystor taki nie nadawałby się na ewentualny
zamiennik. Ogólnie należy w pierwszej kolejności kierować się kryterium zbliżonej wytrzymałości
prądowej, a następnie nie mniejszej wytrzymałości napięciowej.
Określić relacje cenowe między wyszukanymi tranzystorami. Czy wynik uzasadnia obecność
tranzystorów BJT w układach elektroniki mocy mimo istnienia nowocześniejszych tranzystorów
posiadających niewątpliwe zalety (MOSFET, IGBT)?
46 ◆ D 5
5.3.
Badany układ jako statecznik lampy fluorescencyjnej
Uruchomienie programu Scilab
1. Uruchomić pakiet do obliczeń numerycznych Scilab.
2. Wczytać skrypt zawierający potrzebne funkcje obliczeniowe, wpisując polecenie
exec('ścieżka_dostępu_do_skryptu\cw5b.sce');
gdzie ścieżka_dostępu_do_skryptu jest ścieżką dostępu do pliku cw5b.sce.
3. Aby w dalszym ciągu pracy nie wpisywać za każdym razem pełnej ścieżki dostępu do plików z
danymi pomiarowymi (pliki z programu SP107), można zmienić katalog roboczy na katalog
zawierający te pliki, wpisując polecenie
cd('ścieżka_dostępu_folderu_pomiarów');
Wyznaczenie i analiza parametrów
4. Na podstawie przebiegu prądu lampy ifl, obliczyć wartość skuteczną Ifl(rms), szczytową Ifl(pk) i
współczynnik szczytu kci tego prądu:
a) w programie SP107 otworzyć plik zawierający przebieg prądu ifl (zestaw przebiegów
zapisany w pkt. 4.2/9);
b) zapisać dane do pliku tekstowego – menu Data Save, zapis w formacie Table (*.tab);
c) w programie Scilab wczytać wyniki z zapisanego pliku TAB do macierzy naglowek i dane,
wpisując komendę:
[naglowek,dane]=wczytaj_sp107('nazwa_pliku.tab');
d) wyświetlić nagłówek pliku wpisując
naglowek
i stwierdzić, która kolumna macierzy dane zawiera wartości czasu, a która – prądu lampy ifl
(odnieść oznaczenia do przebiegów obserwowanych w oknie programu SP107, notatek z
pomiarów lub opisu konfiguracji kanałów oscyloskopu z pkt. 4.2/9);
e) obliczyć wartość skuteczną prądu lampy Ifl(rms) wpisując:
xrmsAC_f1(dane,nr_kol_t,nr_kol_ifl,ki,fo)
f)
gdzie nr_kol_t – numer kolumny zawierającej wartości czasu, nr_kol_ifl – numer kolumny
zawierającej wartości prądu lampy ifl, ki – współczynnik przetwarzania sondy prądowej
(ponieważ został już uwzględniony na oscyloskopie, należy wpisać 1), fo – częstotliwość
prądu lampy wyznaczona w pkt. 5.1/2.d);
obliczyć wartość szczytową prądu lampy Ifl(pk) wpisując:
xpkAV(dane,nr_kol_ifl,ki)
g) obliczyć z definicji współczynnik szczytu prądu lampy kci (patrz par. 2.2.b).
Obliczenia w programie Scilab będą jeszcze kontynuowane w pkt. 5.4/1.
5. W programie SP107 otworzyć plik zawierający przebieg napięcia na lampie ufl, zapisany w pkt.
4.2/10. Za pomocą kursora wyznaczyć wartość szczytową tego napięcia ufl(pk).
D 5 ◆ 47
6. Opierając się na wynikach uzyskanych w pkt. 4, 5 i 5.1/2.d), ocenić, czy układ spełnia poprawnie
swoją rolę stabilizatora lampy (patrz par. 2.2.b) pod kątem:
a) ograniczenia prądu lampy Ifl(rms) do wartości optymalnej zgodnie z regułą inżynierską (użyć
danych lampy podanych w par. 4.1, a za wartość napięcia na załączonej lampie Uon przyjąć
wartość szczytową ufl(pk));
b) kształtu prądu lampy (opisanego za pomocą współczynnika szczytu kci) pod kątem
maksymalizacji jej czasu działania;
c) częstotliwości pracy.
48 ◆ D 5
5.4.
Prostownik i kompatybilność elektromagnetyczna
1. * Na podstawie przebiegów napięcia sieci ui i prądu pobieranego z sieci ii, zarejestrowanych w
pkt. 4.3/3–4 dla dwóch wartości kondensatora filtru prostownika C6, opisać liczbowo
oddziaływanie prostownika wejściowego na sieć energetyczną:
a) w programie SP107 otworzyć kolejno każdy z dwóch plików, które zawierają przebiegi
napięcia ui i prądu ii, i zapisać go do pliku tekstowego – menu Data Save, zapisać jako
Table (*.tab);
b) wczytać wyniki z pierwszego zapisanego pliku TAB do macierzy naglowek i dane, wpisując
komendę:
[naglowek,dane]=wczytaj_sp107('nazwa pliku.tab');
c) wyświetlić nagłówek pliku wpisując
naglowek
i przez porównanie numerów kanałów z przebiegami widocznymi w programie SP107
stwierdzić, która kolumna macierzy dane zawiera wartości czasu, która – napięcia, a która –
prądu;
d) wyznaczyć widmo prądu pobieranego z sieci i współczynnik zniekształceń harmonicznych
tego prądu dhi, wpisując:
dhi=widmo_ii_en(dane,nr_kol_t,nr_kol_ii,ki,pnom)
gdzie:
nr_kol_t i nr_kol_ii oznaczają numery kolumn zawierających odpowiednio wartości
czasu i prądu,
ki jest współczynnikiem przetwarzania sondy prądowej [patrz pkt 5.3/4.e)],
Pnom jest mocą znamionową lampy (patrz par. 4.1);
Powyższa funkcja zwróci wartość współczynnika zniekształceń harmonicznych dhi oraz
wyświetli obraz widma prądu (niebieskie prążki) wraz z granicą (górną) wynikającą z
odpowiedniej normy kompatybilności elektromagnetycznej (linia czerwona). Obraz widma
należy zapisać do pliku graficznego (menu File Export, zaleca się format PNG);
e) wyznaczyć współczynnik mocy układu λ i kąt przesunięcia fazowego między składowymi
podstawowymi napięcia i prądu φ1, wpisując:
[lambda,phi1]=lambda_phi(dane,nr_kol_t,nr_kol_ui,nr_kol_ii,ki)
gdzie nr_kol_ui oznacza numer kolumny zawierającej wartości napięcia, a pozostałe
parametry mają znaczenie i wartości jak w ppkt. d);
f) powtórzyć ppkt. b)–e) dla drugiego pliku.
2. * W programie SP107, z przebiegów napięcia ud zarejestrowanych w pkt. 4.2/7 i 4.3/4.g), dla
dwóch wartości kondensatora filtru prostownika C6, odczytać wartości szczytu i doliny.
Następnie na ich podstawie obliczyć współczynnik tętnienia napięcia wyjściowego prostownika
ruo w każdym z dwóch przypadków (patrz par. 3.1.c).
3. * Wyniki liczbowe uzyskane w pkt. 1–2 zebrać w tabeli.
4. * W oparciu o wyniki z tabeli stwierdzić:
a) jak zwiększenie pojemności kondensatora wpłynęło na współczynnik tętnienia napięcia
wyjściowego prostownika ruo;
D 5 ◆ 49
b) jak zwiększenie pojemności kondensatora wpłynęło na emisję harmonicznych prądu i
wynikające stąd spełnienie wymagań norm kompatybilności elektromagnetycznej;
c) czy wymagania niskiego poziomu tętnienia na wyjściu i niskiej zawartości harmonicznych
na wejściu są zgodne czy sprzeczne.
5. * Na podstawie oscylogramu napięcia sieci ui stwierdzić, czy zachodzą warunki, w których
występuje związek (3.24) [zob. par. 3.3.b]. W oparciu o wyniki z tabeli sprawdzić, czy zależność
ta faktycznie zachodziła w badanym układzie. Obliczone z tej zależności wartości współczynnika
dodać do tabeli wyników oznaczając je przez λ′.
E
Informacje
6. Oczekiwana zawartość sprawozdania
Schemat blokowy badanego układu z naniesionymi parametrami przebiegów w
kluczowych punktach, oscylogramy, na podstawie których ustalono te parametry, oraz
analiza wyników, zgodnie z par. 5.1
Szczytowe wartości napięcia i prądu głównego tranzystorów oraz oscylogramy
przebiegów, na podstawie których ustalono te wartości, zgodnie z pkt. 5.2/1–2
(tj. wartości uCE,T2(pk) i iC,T1(pk))
Wartości znamionowe napięcia i prądu głównego odczytane z karty katalogowej
badanego tranzystora, porównane z wyznaczonymi wartościami roboczymi, zgodnie z
pkt. 5.2/3.a)–b)
Diagram obszaru bezpiecznej pracy badanego tranzystora z naniesionymi skrajnymi
punktami pracy wraz z analizą, zgodnie z pkt. 5.2/3.c)
(tj. diagram z karty katalogowej z zaznaczonym punktem pracy w stanie załączenia i
punktem pracy w stanie wyłączenia)
Przybliżona wartość wzmocnienia prądowego badanego tranzystora przy
zarejestrowanej wartości szczytowej prądu kolektora i obliczony na tej podstawie
wymagany prąd bazy, zgodnie z pkt. 5.2/3.d)
Symbole, ceny i parametry wyszukanych tranzystorów różnych typów wraz z analizą
pod kątem zastosowań tranzystora BJT, oraz wydruk lub obraz stron internetowych z
danymi źródłowymi, zgodnie z pkt. 5.2/4
(tj. dane dla 1 tranzystora BJT, 1 tranzystora MOSFET i 1 tranzystora IGBT o
parametrach odpowiednich do zastosowania w badanym układzie)
Wartości napięcia i prądu lampy fluorescencyjnej oraz oscylogramy przebiegów, na
podstawie których ustalono te wartości, a także obliczona wartość współczynnika
szczytu prądu lampy, zgodnie z pkt. 5.3/4–5
(tj. wartości Ifl(rms), Ifl(pk), kci, ufl(pk))
Analiza jakości działania badanego układu jako statecznika lampy, zgodnie z pkt. 5.3/6
* Tabela wyników zgodnie z pkt. 5.4/3 i 5, wykresy widma prądu wejściowego
otrzymane w pkt. 5.4/1, oraz oscylogramy przebiegów, na podstawie których uzyskano
52 ◆ E 7
te wyniki, podpisane wartościami kondensatora filtru
(tj. wartości C6, dhi, λ, φ1, λ′ i oscylogramy dla dwóch wartości kondensatora C6)
* Analiza wpływu wartości kondensatora C6 na działanie układu, zgodnie z pkt. 5.4/4
* Obliczenia dowodzące spełnienia (bądź niespełnienia) zależności łączącej współczynnik
mocy i współczynnik zniekształceń harmonicznych przy sinusoidalnym napięciu,
zgodnie z pkt. 5.4/5
7. Wymagana wiedza
7.1.
Przygotowanie do wykonywania ćwiczenia
Schemat i ogólna zasada działania elektronicznego półmostkowego statecznika
lampy fluorescencyjnej
(zob. par. 2.3)
7.2.
Zakres kolokwium
1. Zalety i wady tranzystorów BJT w odniesieniu do elektroniki mocy. Współczesne
obszary zastosowań.
(zob. par. 2.1, sprawozdanie)
2. Elektroniczny półmostkowy statecznik niskociśnieniowej lampy fluorescencyjnej:
schemat blokowy (bez bloków opcjonalnych), przebiegi charakterystycznych napięć
lub prądów w kluczowych punktach układu, wady statecznika magnetycznego i
zalety stateczników elektronicznych.
(zob. par. 2.2, 2.3, sprawozdanie)
3. Falownik półmostkowy zasilany napięciowo: uproszczony schemat elektryczny,
droga przepływu prądu wyjściowego w dwóch taktach pracy; przebieg potencjału na
środku gałęzi aktywnej, prądu wyjściowego (lampy) i prądów kluczy
półprzewodnikowych. Obwód rezonansowy: składniki (po zapłonie lampy) i
spełniana funkcja; inna funkcja dławika.
(zob. par. 2.3, sprawozdanie)
4. Jednofazowy prostownik diodowy w konfiguracji mostka Graetza: schemat
elektryczny, klucze przewodzące i nie przewodzące w zależności od polaryzacji
napięcia wejściowego; przebieg napięcia i prądu wejściowego oraz napięcia
wyjściowego bez kondensatora i z kondensatorem.
(zob. par. 3.2, 3.3)
8. Literatura
[1] Power Semiconductor Applications. Philips Semiconductors, 1994.
Literatura
E 8 ◆ 53
[2] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa: Wydawnictwa NaukowoTechniczne, 1998. ISBN 83-204-2223-X.

Ćwiczenie 5

Transkrypt

Podobne dokumenty

LUMINEX 705 żyrandol Portland

153524 Spotline NEPRO 2 T5, Spot, silbergrau, 2xT5 24W, inkl. 3P