POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych dla studentów

WYDZIAŁU MECHANICZNEGO

Studiów stacjonarnych i niestacjonarnych

z przedmiotów

PODSTAWY ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI

Kody przedmiotów: MKBMS02011, MKBMN01002

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

Kody przedmiotów: MKARS02010; MKIBS02015; MKTRS02011; MKETS02014;

MKARN02010; MKIBN02018; MKTRN03018.

ĆWICZENIE 4M

BADANIE PROSTOWNIKÓW JEDNOFAZOWYCH

I UKŁADÓW FILTRUJĄCYCH

Opracował

dr inż. Stanisław Jałbrzykowski

BIAŁYSTOK 2013

2

Instrukcja jest własnością Katedry Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych.

Do użytku wewnętrznego katedry.

Powielanie i rozpowszechnianie zabronione

3

Ogólne zasady bezpieczeństwa



Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną do stanowiska

laboratoryjnego.



Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych

nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego.



Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego.



Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostępnych manipulatorów

(potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich

działań.



Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany połączeń

przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania
stanowiska.



W przypadku załączania układów napędowych należy zachować odpowiednią kolejność

czynności.



Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana przyrządu) w układzie

znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.



W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego o napięciu

przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować

odpowiednie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem
elektrycznym.



Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż opisane w instrukcji może

spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie
stanowiska.



Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem

laboratoryjnym.



Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów sterujących może

doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.



W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np. swąd spalenizny)

natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający.



Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz opisanych w

instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany personel po wyłączeniu
stanowiska.



Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji lub na

obudowie urządzenia.



Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki. Nie należy

stosować do tych celów rozpuszczalników.



Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory, zasilacze itp.) należy

przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:



Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu.



Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołączone

do źródła napięcia.



Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu

zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu
ochronnego sieci.



Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie należy

podłączać go do punktów o wyższym potencjale.



Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce nad

pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy sonda

jest podłączona do źródła napięcia



Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów.

4

I. WPROWADZENIE

1. Dioda prostownicza

Współczesne diody prostownicze to diody półprzewodnikowe. Dioda jest

złączem półprzewodnikowym p-n. Jest elementem dwukońcówkowym.

Końcówka (elektroda) wyprowadzona z warstwy „p” nazywa się anoda

a końcówka (elektroda) wyprowadzona z warstwy „n” nazywa się katoda.

Podstawową

praktyczną

właściwością

diody

jest

jednokierunkowe

przewodnictwo prądu elektrycznego od anody do katody.

Rys. 1. Symbol graficzny diody półprzewodnikowej prostowniczej.

Rys. 2. Polaryzacja diody: a) w stanie przewodzenia, b) w stanie zaporowym

Stan przewodzenia diody (rys. 2a). Gdy napięcie na diodzie (dołączone

z zewnętrznego źródła) jest dodatnie, tzn. potencjał anody jest wyższy niż

potencjał katody, dioda jest w stanie przewodzenia. Przez diodę płynie prąd i

D

o zwrocie od anody do katody. W stanie przewodzenia wartość napięcia na

5

diodzie (u

D

= u

AK

) jest niewielka i w uproszczeniu można przyjąć, że jest

pomijalnie mała, czyli u

D



0. Rezystancja diody w stanie przewodzenia również

jest niewielka i w uroszczeniu można przyjąć, że jest pomijalnie mała, czyli

R

D



0. W stanie przewodzenia dioda może być traktowana jako prawie idealny

przewodnik prądu elektrycznego. W praktyce, w stanie przewodzenia wartość

prądu diody nie powinna przekraczać wartości prądu roboczego podawanego

przez producenta (I

F

). Przekroczenie wartości prądu roboczego może

spowodować cieplne zniszczenie diody.

Stan zaporowy diody (rys. 2b). Gdy napięcie na diodzie (dołączone

z zewnętrznego źródła) jest ujemne, tzn. potencjał katody jest wyższy niż

potencjał anody, dioda jest w stanie zaporowym. Przez diodę praktycznie prąd

nie płynie. Napięcie na diodzie w stanie zaporowym nazywane jest napięciem

zaporowym lub napięciem wstecznym diody. Rezystancja diody w stanie

zaporowym przyjmuje bardzo duże wartości i w uproszczeniu można przyjąć, że

R

D



. W stanie zaporowym dioda może być traktowana jako przerwa

w obwodzie elektrycznym, na zaciskach której istnieje napięcie elektryczne.

W praktyce w stanie zaporowym wartość napięcia wstecznego nie powinna

przekraczać wartości podanej przez producenta jako wartość maksymalna

(U

RRM

). Przekroczenie podanej wartości może spowodować zjawisko przebicia

diody i zniszczenie diody.

2. Prostownik diodowy

Ogólnie dostępnym źródłem energii elektrycznej w Polsce jest

elektroenergetyczna sieć zasilająca napięcia przemiennego (sinusoidalnie)

o częstotliwości 50Hz Większość urządzeń elektrycznych jest zasilana energią

z tej sieci. Znaczna część urządzeń, głównie elektronicznych, wymaga zasilania

napięciem

stałym.

Istnieje

więc

konieczność

tworzenia

układów

przekształcających napięcie przemienne na napięcie stałe, umożliwiających

czerpanie energii elektrycznej z sieci napięcia przemiennego i zasilanie urządzeń

6

napięciem stałym. Podstawowym przekształtnikiem napięcia przemiennego na

stałe jest prostownik diodowy. Najprostszymi prostownikami są prostowniki

jednofazowe, tzn. zasilane jednofazowo (jednym napięciem przemiennym).

Typowe układy prostowników jednofazowych to:

- prostownik jednopulsowy (jednopołówkowy) – rys. 3a),

- prostownik dwupulsowy (dwupołówkowy) w układzie mostkowym

(mostkowy) – rys. 3b). Prostowniki zasilane są za pośrednictwem transformatora

(TR). W transformatorze napięcie sieci (pierwotne) U

1

jest najczęściej obniżane

do wartości U

2

(napięcie wtórne). Napięcie wtórne transformatora jest napięciem

zasilającym prostownik (napięciem wejściowym prostownika).

Rys. 3. Schematy prostowników jednofazowych: a) prostownik jednopulsowy, b) prostownik

dwupulsowy; TR - transformator, D - dioda, odb. - odbiornik prądu stałego.

Do opisu działania prostowników niezbędna jest znajomość charakterystycznych

wartości napięć i prądów:



wartość chwilowa napięcia przemiennego sieci zasilającej (u

1

)

i wartość chwilowa napięcia przemiennego zasilającego prostownik czyli

napięcia wtórnego transformatora (u)

u

1

= u

1

(t) = U

1m

sin



t,

u = u(t) = u

2

(t) = U

m

sin



t,

gdzie U

1m

, U

m

– amplitudy napięć przemiennych,



= 2



f,

f - częstotliwość napięcia zasilającego,

f = 50 Hz;

7



wartość skuteczna napięcia zasilającego

2

m

sk

U

U

U







wartość średnia napięcia na odbiorniku (U

o

) i prądu odbiornika (I

o

)







T

o

osr

o

dt

t

u

T

U

U

0

)

(

1

;







T

o

osr

o

dt

t

i

T

I

I

0

)

(

1

;



wartość skuteczna napięcia na odbiorniku (U

osk

) i prądu odbiornika (I

osk

)





T

o

sk

o

dt

t

u

T

U

0

2

)

(

1

,





T

o

sk

o

dt

t

i

T

I

0

2

)

(

1

,

gdzie u

o

(t), i

o

(t) – wartość chwilowa napięcia na odbiorniku i prądu odbiornika,

T – okres zmienności napięcia na odbiorniku równy okresowi napięcia

zasilającego, dla częstotliwości f = 50 Hz okres T = 20 ms;



współczynnik tętnienia napięcia na odbiorniku k

t

, jako miara jakości

przekształcania napięcia przemiennego na napięcie stałe. Im wyższa jest jakość

przekształcania, tym mniejsza jest wartość współczynnika tętnienia. Dla napięcia

stałego w czasie współczynnik tętnienia k

t

= 0.







osr

osr

osk

t

U

U

U

k

2

2

Ponadto do opisu działania układów filtrujących stosowanych na wyjściu

prostowników wymagana jest znajomość właściwości kondensatorów i cewek

indukcyjnych w obwodach prądu stałego i zmiennego.

8

Prostownik jednopulsowy (jednopołówkowy)

Schemat układu prostownika jednopulsowego, bez filtru, obciążonego

odbiornikiem rezystancyjnym R

O

pokazany jest na rys.4a).

Rys. 4. Prostownik jednopulsowy: a) schemat, b) przebiegi napięcia zasilającego prostownik
i napięcia wyprostowanego na odbiorniku.

W skład prostownika wchodzą:



transformator (Tr) obniżający wartość skuteczną napięcia przemiennego
(sieciowego),



dioda prostownicza (D).

Dioda przewodzi prąd w czasie, w którym wartości chwilowe napięcia

zasilającego prostownik są dodatnie a nie przewodzi, gdy wartości chwilowe

napięcia zasilającego są ujemne. W każdym okresie przez diodę i odbiornik

płynie prąd w czasie połowy okresu, tzn. w czasie przewodzenia diody, w tym

czasie napięcie na odbiorniku ma wartości dodatnie. W drugiej połowie okresu

prąd w układzie nie płynie (dioda jest w stanie zaporowym) i napięcie na

odbiorniku ma wartość zerową.

Na rys.4b) zamieszczone są przebiegi czasowe:

- napięcia zasilającego prostownik, tzn. napięcia wtórnego transformatora u

2

= u,

- napięcia wyprostowanego na odbiorniku u

o

.

9

W układzie tym wartość maksymalna napięcia na odbiorniku jest równa

wartości maksymalnej napięcia zasilającego prostownik (U

m

).

Na przebiegu napięcia wyprostowanego u

o

(rys. 4b) zaznaczone są odpowiednio:

- wartość maksymalna U

om

= U

m

,

- wartość skuteczna

U

osk

= U

m

/2,

- wartość średnia

U

o

= U

m

/



.

Wartości skuteczną i średnią napięcia na odbiorniku można wyrazić

w powiązaniu z wartością skuteczną napięcia zasilającego prostownik U

(sinusoidalnie zmiennego):

U

U

U

osk

71

,

0

2

2





,

U

U

U

o

45

,

0

2







.

Prostownik jdnopulsowy z filtrem pojemnościowym C

Na rys.5. zaprezentowany jest schemat i przebiegi czasowe napięć i prądów

dla prostownika jednopulsowego z filtrem pojemnościowym.

W układzie tym do wyjścia prostownika, równolegle do odbiornika

rezystancyjnego dołączony jest kondensator o pojemności C.

Kondensator C jest ładowany (zwiększanie się napięcia na kondensatorze)

prądem płynącym przez diodę D w czasie, gdy wartości chwilowe napięcia

zasilającego prostownik są większe niż wartości chwilowe napięcia na

odbiorniku. Czas trwania jednego pulsu prądu diody w tym procesie jest równy

około czwartej części okresu zmienności napięcia.

10

Rys. 5. Prostownik jednopulsowy z filtrem pojemnościowym: a) schemat, b) przebiegi napięć
i prądów.

W pozostałej części okresu kondensator rozładowuje się (zmniejszanie się

napięcia na kondensatorze). Prąd rozładowania płynie w obwodzie C, R

o

. Prąd

przez diodę nie płynie, gdyż napięcie na kondensatorze ma wartości chwilowe

większe niż napięcie zasilające i dioda

jest w stanie zaporowym. Szybkość rozładowania kondensatora zależy od stałej

czasowej



= R

o

C. Im większa jest wartość stałej czasowej (iloczynu R

o

C), tym

wolniejszy jest proces rozładowania, który trwa do chwili, w której ponownie

wartość chwilowa napięcia zasilającego będzie większa niż napięcia na

odbiorniku.

Przebiegi czasowe na rys.5b) to:

u = u

2

– wartość chwilowa przemiennego napięcia zasilającego prostownik,

u

o

– przebieg czasowy napięcia na odbiorniku oraz wartości:

U

osk

– skuteczna, i U

o

– średnia,

i

D

, u

D

– przebiegi czasowe prądu diody i napięcia na diodzie.

Efektem zastosowania filtru pojemnościowego jest:

- możliwość uzyskania przebiegu ciągłego (bezprzerwowego) napięcia i prądu

odbiornika rezystancyjnego R

o

,

11

- zmniejszenie zakresu zmian napięcia (tętnień) na odbiorniku, tzn.



U

o

= (U

omax

– U

omin

),

- zmniejszenie współczynnika tętnienia k

t

w porównaniu z układem bez filtru.

Prostownik jednopulsowy z filtrem indukcyjnym L

Rys. 6. Prostownik jednopulsowy z filtrem indukcyjnym: a) schemat, b) przebiegi napięć
i prądów.

Na rys.6. zaprezentowany jest schemat i przebiegi czasowe napięć i prądów

dla prostownika jednopulsowego z filtrem indukcyjnym. W układzie tym dławik

(cewka indukcyjna) o indukcyjności L połączony jest szeregowo z odbiornikiem

rezystancyjnym R

o

. Na zaciskach zewnętrznych dławika, w wyniku zjawiska

indukcji elektromagnetycznej, indukuje się siła elektromotoryczna samoindukcji

(napięcie elektryczne) o takiej biegunowości, która przeciwdziała zmianom

(w tym zanikaniu) prądu płynącego przez dławik, a tym samym przez odbiornik.

Przebiegi czasowe na rys.6b) to:

u = u

2

– wartość chwilowa przemiennego napięcia zasilającego prostownik,

u

o

– przebieg czasowy napięcia na odbiorniku oraz wartości:

U

osk

- skuteczna i U

o

–średnia,

12

u

L

– przebieg czasowy napięcia na dławiku L,

u

D

– przebieg czasowy napięcia na diodzie.

Efektem zastosowania filtru indukcyjnego jest:

- wydłużenie czasu trwania pulsu prądu odbiornika ponad połowę okresu

zmienności napięcia,

- zmniejszenie współczynnika tętnienia k

t

w porównaniu z układem bez filtru.

Prostownik jednopulsowy z filtrem mieszanym LC

Możliwe jest stosowanie filtrów mieszanych, utworzonych przez połączenie

elementów indukcyjnych L i pojemnościowych C. Przykłady prostownika

jednopulsowego z filtrem mieszanym przedstawione są na rys.7, przy czym na

rys.7a) przestawiony jest schemat układu z filtrem LC typu gamma -



, a na rys.

7b) z filtrem CLC typu pi-



Rys. 7. Prostownik jednopulsowy z filtrem mieszanym pojemnościowo-indukcyjnym:
a) schemat układu z filtrem



, b) schemat układu z filtrem



W układach z filtrami mieszanymi wykorzystywane są łącznie efekty

uzyskiwane w układach z filtrami C i L. Przebiegi czasowe napięcia na

odbiorniku też charakteryzują się tętnieniami. Możliwe jest jednak zmniejszenie

współczynnika tętnień w porównaniu z układami z filtrami pojedynczymi C i L.

Obliczanie wartości średnich i skutecznych napięcia i prądu odbiornika

w układach prostowników z filtrami wyjściowymi jest trudniejsze niż w układach

bez filtrów i wykracza poza zakres zajęć laboratoryjnych.

13

Prostownik dwupołówkowy (dwupulsowy) mostkowy

Schemat mostkowego prostownika dwupołówego bez filtru obciążonego

odbiornikiem rezystancyjnym R

O

pokazany jest na rys.8a). W skład prostownika

wchodzą:



transformator (Tr) obniżający wartość skuteczną napięcia przemiennego

(sieciowego),



D

1

, D

2

, D

3

, D

4

- diody prostownicze

Rys. 8. Prostownik dwupulsowy mostkowy: a) schemat, b) przebiegi napięcia zasilania
i napięcia wyprostowanego na odbiorniku

W prostowniku dwupulsowym mostkowym prąd przewodzony jest kolejno

przez pary diod:

- (D

1

, D

4

) – gdy wartości chwilowe napięcia zasilającego są dodatnie i diody te

są w stanie przewodzenia, w tym czasie diody (D

2,

, D

3

) są wstanie zaporowym i

nie przewodzą prądu,

- (D

2,

, D

3

) – gdy wartości chwilowe napięcia zasilającego są ujemne i diody te są

w stanie przewodzenia, w tym czasie diody (D

1,

, D

4

) są wstanie zaporowym i nie

przewodzą prądu.

14

W każdym okresie prąd odbiornika tworzy dwa pulsy a wartość chwilowa

napięcia na odbiorniku jest równa wartości bezwzględnej napięcia zasilającego.

Na rys.8b) zaprezentowane są przebiegi czasowe:

- napięcia zasilającego prostownik, które jest napięciem wtórnym transformatora,

u = u

2

,

- napięcia „wyprostowanego” na odbiorniku, u

o

,

Na przebiegu napięcia wyprostowanego zaznaczone są:

- U

m

- wartość maksymalna napięcia na odbiorniku równa wartości maksymalnej

napięcia zasilającego,

- wartość skuteczna napięcia na odbiorniku

2

m

sk

o

U

U



,

- wartość średnia napięcia na odbiorniku







m

osr

U

U

U

2

0

.

Wartości skuteczną i średnią napięcia na odbiorniku można wyrazić

w powiązaniu z wartością skuteczną napięcia zasilającego prostownik U

(sinusoidalnie zmiennego):

U

U

osk



,

U

U

U

o

9

,

0

2

2







.

Prostownik dwupulsowy z filtrem pojemnościowym C

Na rys.9a) przedstawiony jest schemat prostownika dwupulsowego

z odbiornikiem rezystancyjnym R

o

i filtrem pojemnościowym C.

W tym układzie diody przewodzą prąd parami (D

1

, D

4

) i (D

2,

, D

3

) w czasie

krótszym niż połowa okresu napięcia zasilającego, tzn. w czasie, w którym

wartość bezwzględna napięcia zasilającego jest większa niż wartość napięcia na

kondensatorze. W pozostałych przedziałach czasu prąd odbiornika jest prądem

rozładowania kondensatora w obwodzie C, R

o

.

15

Rys. 9. Mostkowy prostownik dwupulsowy z filtrem pojemnościowym: a) schemat,
b) przebiegi napięć i prądów.

Na rys. 9b) przedstawione są przebiegi czasowe:

- napięcia zasilającego prostownik, które jest napięciem wtórnym transformatora,

u = u

2

,

- napięcia „wyprostowanego” na odbiorniku, u

o

z wartością średnią napięcia na

odbiorniku U

o

,

- prądu wyjściowego prostownika i

wy

.

Prąd wyjściowy prostownika jest prądem impulsowym jedkokierunkowym. Prąd

pobierany ze źródła (transformatora) jest prądem zmiennym impulsowym, co jest

wadą tego układu.

Wartości chwilowe napięcia na odbiorniku - u

o

zmieniają się w zakresie



U

o

= (U

omax

– U

omin

). Zakres ten, a szczególnie wartość minimalna U

omin

zależy

od stałej czasowej obwodu



= R

o

C.

Im większa jest wartość stałej czasowej, tym większa jest wartość U

omin

i mniejszy zakres zmian napięcia



U

o

W efekcie współczynnik tętnienia napięcia

jest mniejszy.

16

Prostownik dwupulsowy z filtrem mieszanym LC

Na rys. 10a). przedstawiony jest schemat przykładowego prostownika

dwupulsowego mostkowego z filtrem mieszanym LC typu



i odbiornikiem

rezystancyjnym.



W układzie tym możliwe jest uzyskanie przebiegu czasowego

napięcia na odbiorniku o niewielkim zakresie zmian



U

o

, tzn. o małej wartości

współczynnika tętnienia napięcia k

t

. Przebiegi napięcia zasilającego - u i

napięcia na odbiorniku - u

o

przestawione są na rys. 10b).

Rys. 10. Mostkowy prostownik dwupulsowy z filtrem mieszanym: a) schemat, b) przebiegi
napięć i prądów.

II. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO

Praktyczne zapoznanie się z przetwarzaniem prądu i napięcia przemiennego

na prąd i napięcie stałe w diodowych prostownikach jednofazowych. W zakres

ćwiczenia wchodzą:

1. Obserwacje oscyloskopowe oraz pomiary wartości średnich i wartości

skutecznych charakterystycznych prądów i napięć w prostownikach.

2. Porównanie jakości przetwarzania napięcia zmiennego na napięcie stałe

w różnych układach prostowników.

17

III. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO

Stosowane w ćwiczeniu elementy potrzebne do połączenia wybranego

układu prostownika umieszczone są w obudowie prostopadłościennej. Końcówki

elementów wykorzystywane do łączenia układów pomiarowych wyprowadzone

są na płytę czołową (montażową) stanowiska laboratoryjnego. Jednofazowe

napięcie zasilające o wartości skutecznej 230V i częstotliwości 50Hz dołączone

jest wewnątrz obudowy do uzwojenia pierwotnego transformatora obniżającego

napięcie 230/24V.

Wykaz elementów stanowiska laboratoryjnego:

1. Elementy znajdujące się w obudowie stanowiska laboratoryjnego:

- T – transformator o mocy pozornej 250VA,

U

1

= 230V, U

2

= 24V, f = 50Hz;

- D1÷ D4 – diody półprzewodnikowe D22 10R, I

F

= 10A, U

RRM

= 600V,

- C1, C2 – kondensatory elektrolityczne 220



F, 350V,

- L – dławik filtrujący o indukcyjności około 50 mH,

- R

d

– odbiornik rezystancyjny o rezystancji stałej 22



,

- A1(śr), A3(śr) – amperomierze magnetoelektryczne do pomiaru wartości

średnich prądu,

- A2(sk), A4(sk) – amperomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości

skutecznych prądu,

- V1(śr) – woltomierz magnetoelektryczny do pomiaru wartości średnich

napięcia,

- V2(sk) – woltomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości skutecznych

napięcia.

2. Pozostałe elementy i przyrządy pomiarowe:

- Ro – opornik suwakowy PRU 322 o rezystancji maksymalnej 33



i prądzie

znamionowym I

R

= 3,1 A oraz I

Rmax

= 4,4A w czasie 15 min;

- oscyloskop z zestawem sond pomiarowych napięciowych i sondą prądową.

18

Rys. 11. Widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego.

Z - przycisk zielony załączania napięcia zasilającego

- lampka sygnalizacyjna świeci, gdy napięcie jest dołączone do układu;

W - przycisk czerwony wyłączania napięcia zasilającego.

IV. PROGRAM ĆWICZENIA

Do badania prostowników należy przyjąć, że odbiornik prądu stałego jest

rezystancyjny o rezystancji R

O

, którą można zmieniać dzięki zastosowaniu

rezystora (opornika) suwakowego. Dołączane do odbiornika R

O

kondensatory

i dławik (cewka indukcyjna) pełnią funkcje układów filtrujących.

Program badań dotyczy każdego prostownika spośród przedstawionych na

rys. 1. z odbiornikiem rezystancyjnego:

- bez filtru,

- z filtrem pojemnościowym,

- z filtrem indukcyjnym,

- z filtrem mieszanym typu



lub z filtrem typu



19

Program badania prostowników

1. Zapoznać się szczegółowo ze stanowiskiem laboratoryjnym.

2. Połączyć układ pomiarowy do badania prostownika:

- jednopulsowego według schematu z rys. 12,

- dwupulsowego według schematu rys. 13.

Schematy układów pomiarowych

Rys. 12. Schemat układu do badania prostownika jednopulsowego.

Rys. 13. Schemat układu do badania prostownika dwupulsowego mostkowego.

20

Wyjaśnienia do schematów pomiarowych

V1 - woltomierz magnetoelektryczny do pomiaru wartości średniej napięcia na

odbiorniku U

ośr

;

V2 - woltomierz elektromagnetyczny do pomiaru wartości skutecznej napięcia

odbiornika U

osk

;

A1, A3 - amperomierze magnetoelektryczne do pomiaru wartości średnich

odpowiednio prądu jednej diody I

Dśr

i prądu odbiornika I

ośr

;

A2, A4 - amperomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości skutecznych

odpowiednio prądu jednej diody I

Dsk

i prądu odbiornika I

osk

.

Połączenie układów zgodnie z rysunkami 12, albo 13 umożliwia badanie

prostowników z odbiornikiem rezystancyjnym R

O

bez filtru. Zaciski 3,4 powinny

być ze sobą połączone. Opornik odbiornika o nastawianej wartości (suwakowy)

należy przyłączyć pomiędzy zaciski zr1, zr2.

W celu dołączenia filtru pojemnościowego z kondensatorem C1 (odbiornik

RoC) należy dodatkowo połączyć, zgodnie z oznaczeniami na schematach, punkt

3 albo punkt 4 z punktem z1. Dołączenie dwóch kondensatorów jednocześnie

i powiększenie pojemności filtru możliwe jest przez połączenie punktów 3 i 4

odpowiednio z punktami z1 i z2.

W celu dołączenia filtru indukcyjnego L, (odbiornik RoL) dławik L (zaciski

3’,4’) należy włączyć pomiędzy punkty 3 i 4 po wcześniejszym ich rozłączeniu

(połączenie szeregowe RoL dławika z odbiornikiem rezystancyjnym).

Żeby uzyskać filtr mieszany typu gamma (odbiornik RoCL) należy do

szeregowego połączenia RoL dołączyć równolegle do odbiornika Ro kondensator

C1 albo C2, tj. połączyć zacisk z1 albo z2 z zaciskiem 4. Można dołączyć

obydwa kondensatory C1 i C2 połączone ze sobą równolegle. W tym celu należy

zaciski z1 i z2 połączyć z zaciskiem 4. Filtr mieszany typu pi ( odbiornik

RoCLC) uzyskać można przez dołączenie kondensatorów C1 i C2

do połączonych szeregowo RoL. W tym celu należy połączyć zacisk z1

z punktem 3 z a zacisk z2 z punktem 4.

21

UWAGA! Wszystkie przełączenia w badanym układzie należy wykonywać

przy odłączonym napięciu zasilającym.

3. Za pomocą oscyloskopu zaobserwować i zarejestrować przebiegi:

- napięcia i prądu zasilającego prostownik,

- napięcia i prądu na wyjściu prostownika,

- napięcia i prądu odbiornika,

- napięcia i prądu jednej diody,

- napięcia i prądu elementów filtrujących.

UWAGA! Oscyloskopem należy posługiwać się zgodnie ze wskazówkami

Prowadzącego ćwiczenie. Oscylogramy można zarejestrować za

pomocą własnego aparatu fotograficznego albo wykorzystać

zewnętrzną pamięć USB (własną).

4. Zmierzyć, tzn. odczytać wskazania woltomierzy i amperomierzy – w warun-

kach pracy układu ustalonych przez Prowadzącego i wyniki pomiarów wpisać

do Tabeli 1.

- wartość średnią napięcia na odbiorniku – Uośr,

- wartość skuteczną napięcia na odbiorniku - Uosk,

- wartość średnią prądu jednej diody – I

D

śr,

- wartość skuteczną prądu jednej diody – I

D

sk,

- wartość średnią prądu odbiornika – Iośr,

- wartość skuteczną prądu odbiornika – Iosk.

22

Tabela 1 - wyniki pomiarów i obliczeń

wyniki pomiarów

wyniki obliczeń

V1

V2

A1

A2

A3

A4

I

Dśr

I

ośr

I

Dsk

I

osk

U

ośr

U

U

osk

U

k

t

U

ośr

U

osk

I

Dśr

I

Dsk

I

ośr

I

osk

odb.

V

V

A

A

A

A

-

-

-

-

%

R

O

1 R

O

C

R

O

L

RoCL

RoCLC

R

O

R

O

C

2

R

O

L

RoCL

R

O

CLC

1- prostownik jednopulsowy,

2 - prostownik dwupulsowy

4. Wykonać pomiary do wyznaczania charakterystyki zewnętrznej (obciążenia)

prostownika, U

ośr

= f(I

ośr

) i U

osk

= f(I

osk

).

Wartości średnią i skuteczną prądu odbiornika należy zmieniać przez zmianę

rezystancji R

0

, tzn. zmianę położenia suwaka opornika suwakowego. Wyniki

pomiarów wpisać do Tabeli 2.

Tabela 2 - wyniki pomiarów do wyznaczenia charakterystyki zewnętrznej

I

ośr

A

0

U

ośr

V

I

osk

A

0

U

osk

V

23

Opracowanie wyników pomiarów uzyskanych w punktach 2, 3, 4 i 5

programu badań prostowników

Punkt 2. programu badań.

1. Narysować schematy badanych układów.

2. Schematy podpisać, wymienić elementy układu i podać dane elementów.

Punkt 3. programu badań

1. Umieścić na papierze zarejestrowane przebiegi napięć i prądów.

2. Każdy oscylogram podpisać (kanał 1, kanał 2).

3. Z oscylogramów napięcia i prądu odbiornika odczytać największą

i najmniejszą wartość chwilową napięcia i prądu.

4. Dla napięcia na odbiorniku obliczyć



U

o

= (U

omax

– U

omin

) oraz inną

postać współczynnika tętnienia napięcia,

%

100

1







ośś

o

t

U

U

k

.

5. Z oscylogramów prądu i napięcia jednej diody odczytać czas trwania

przewodzenia diody w jednym okresie - t

D

. Odczytać maksymalną

bezwzględną wartość napięcia wstecznego na jednej diodzie – U

Dmax

.

6. Wyniki odczytów i obliczeń umieścić w Tabeli 3.

7. Porównać warunki pracy każdej diody w badanych prostownikach.

Punkt 4. programu badań

1. Obliczyć wartości podane w Tabeli 1 w części „wyniki obliczeń”.

W obliczeniach przyjąć wartość skuteczną napięcia zasilającego

prostownik U = 24V.

2. Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w Tabeli 1.

3. Porównać uzyskane wyniki obliczeń I

Dśr

/ I

ośr

oraz I

Dsk

/ I

osk,,

U

ośr

/U,

U

osk

/U. (Omówić wyniki porównania).

24

4. Obliczyć współczynnik tętnień (k

t

) napięcia odbiornika według wzoru:







Punkt 5. programu badań

1. Na podstawie wyników pomiarów z Tabeli 2 wykreślić charakterystyki

zewnętrzne U

ośr

= f(I

ośr

), w jednym układzie współrzędnych dla wszystkich

badanych układów. Wykresy wykonać na papierze milimetrowym.

2. Na podstawie charakterystyk zewnętrznych porównać cechy badanych

prostowników jednofazowych jako źródeł napięcia stałego.

Tabela 3 - wyniki odczytów i obliczeń

wyniki odczytów

wyniki obliczeń

U

omin

U

oma

x

I

Dmin

I

Dmax

I

omin

I

omax

t

D

t

D

T

k

t1

k

t

odb.

V

V

A

A

A

A

ms

-

%

%

R

O

1 R

O

C

R

O

L

RoCL

RoCLC

R

O

R

O

C

2 R

O

L

RoCL

R

O

CLC

1- prostownik jednopulsowy,

2 - prostownik dwupulsowy

We wnioskach z ćwiczenia

Ocenić jakość przetwarzania napięcia przemiennego na napięcie stałe

w badanych układach na podstawie współczynników tętnienia napięcia (k

t1

i k

t2

)

oraz charakterystyk zewnętrznych.

Podać zalety i wady badanych układów prostowniczych.

25

VI. LITERATURA

1. Zbiorowy (Hempowicz P. i inni): Elektrotechnika i elektronika dla

nieelektryków. PWN, Warszawa, 1999.

2. Kaźmierkowski M. P., Matysik J. T.: Wprowadzenie do elektroniki i

energoelektroniki. OWPW, Warszawa 2005.

3. Przezdziecki F., Opolski A.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa,

1986.

4. Jaczewski J., Opolski A., Stoltz J.: Podstawy elektroniki i energoelektroniki.

WNT, Warszawa, 1981.

5. Koziej E., Sochoń B.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa 1982.