Zespół Szkół nr 9 im. Romualda Traugutta
w Koszalinie
Temat: Badanie przetworników napięcia zmiennego na stałe
AC/DC
Koszalin rok szk. 2002/2003
Badanie przetworników AC/DC
2
Wiadomości wstępne.
W technice pomiarowej często zachodzi potrzeba przetwarzania napięcia zmiennego na napięcie
stałe. Wynika to z konieczności odczytu mierzonej wartości sygnału napięcia zmiennego za pomocą
miernika napięcia stałego (wskaz
nik wychyłowy lub wskaz
nik cyfrowy).
Wartość sygnału napięcia zmiennego o przebiegu okresowym i dowolnym kształcie może być scha-
rakteryzowana za pomocą: wartości szczytowej, wartości średniej lub wartości skutecznej.
Wartość szczytowa (maksymalna) Imax, Umax jest największą bezwzględną wartością przebiegu na-
pięcia lub prądu w ciągu okresu T (rys.1).
Rys. 1. Określenie wartości szczytowej (maksymalnej).
Wartość średnia napięcia zmiennego o przebiegu okresowym wyraża się należnością
T
1
U = u( t )dt
+"
T 0
Wartość średnia dla przebiegów symetrycznych jest równa zeru. Dlatego dla przebiegu sinusoidal-
nego u(t) = Umaxsin Ét wartość Å›redniÄ… okreÅ›la siÄ™ za pół okresu (rys. 2).
T
2
1 2
U =
+"U max sinÉtdt = U max = 0,636U max
T 0 Ä„
Rys. 2. Określenie wartości średniej.
Przygotowanie teoretyczne 3
W technice pomiarowej powszechnie używa a jest wartość średnia bezwzględna, która jest odno-
szona do przebiegu wyprostowanego u( t ) określona za cały okres (rys. 3). Wyraża się ona zależnością
dla przebiegu sinusoidalnego:
2
T
1 U max
U =
+"(U max sinÉt ) dt = = 0,707U max
T
0 2
Rys. 3. Określenie wartości skutecznej sygnału zmiennego.
Zarówno wartość średnia, jak i wartość skuteczna sygnału w zależności od wartości maksymalnej
zależy przede wszystkim od kształtu sygnału. Mierniki dla przebiegów sinusoidalnych mierzą zwykle
wartość średnią lub wartość szczytową, natomiast wyskalowane są w wartości skutecznej. Dla sygnałów
o innym kształcie odczyt wymaga uwzględnienia poprawki wynikającej z różnicy kształtu przebiegu.
Kształt prze-
biegu
Wartość śred-
0 0,318 0,636 0 0,500
nia U
Wartość sku-
0,707 0,500 0,707 1 0,707
teczna U
Tabela 1. Zależność wartości średniej i wartości skutecznej od wartości maksymalnej dla różnego kształtu
sygnału.
1. Zasada działania i parametry biernego przetwornika AC/DC.
1.1. Działanie diodowego przetwornika AC/DC.
Bierny przetwornik AC/DC zastosowany w stanowisku pomiarowym, składa się z diodowego, jed-
nopołówkowego prostownika i dolnoprzepustowego filtru RC. Układ przetwornika przedstawiono na
rys. 4.
Badanie przetworników AC/DC
4
Rys. 4. Schemat diodowego przetwornika AC/DC.
Zmienny sygnał sinusoidalny jest prostowany prze diodę D tzn. przepuszczana jest tylko dodatnia
połówka sygnału wejściowego. Pierwsza połówka sinusoidy ładuje kondensator C do wartości maksy-
malnej Umax. Kondensator C ładuje się prądem Icład i w tym czasie płynie prąd wejściowy Iwe (rys.5).
Rys. 5. Obwód prądu ładowania kondensatora C.
A
adowanie kondensatora C odbywa się szybko, ponieważ obwód ładowania ma małą stałą czasową
(iloczyn pojemności C i małej rezystancji diody). W czasie trwania ujemnej połówki dioda jest spolary-
zowana w kierunku zaporowym, ponieważ na anodzie diody występuje ujemne napięcie wejściowe a na
katodzie występuje dodatnie napięcie naładowanego kondensatora Uwyj. W tym czasie kondensator powo-
li rozÅ‚adowuje siÄ™ poprzez opornik R, ponieważ staÅ‚a czasowa Ä = RC jest duża.
Rys. 6. Obwód rozładowania kondensatora C.
Przebiegi czasowe napięć i prądów w poszczególnych obwodach, przedstawiony jest na rys. 7.
Przygotowanie teoretyczne 5
Rys. 7. Przebiegi czasowe przetwornika AC-DC.
tł  czas łasowania kondensatora
troz  czas rozładowania kondensatora
td  czas doładowania kondensatora
1.2. Parametry diodowego przetwornika AC/DC.
W celu jakościowego określenia poszczególnych przetworników AC/DC, definiuje się kilka pod-
stawowych parametrów, które są przedmiotem pomiarów w niniejszym ćwiczeniu.
1. Liniowość przetwarzania.
2. Impedancję wejściową.
3. Zakres częstotliwości pracy.
2.1.1. Liniowość przetwarzania.
Każda dioda półprzewodnikowa jest elementem nieliniowym, szczególnie przy małych napięciach
przewodzenia. Bardzo duża nieliniowość dla diod krzemowych występuje przy napięciach mniejszych niż
0,5V÷0,7V natomiast dla diod germanowych przy napiÄ™ciach mniejszych niż 0,15V÷0,3V. Z tego powo-
du zastosowanie konwencjonalnych diod półprzewodnikowych w układach przetworników w zakresie
małych napięć jest ograniczona.
Badanie przetworników AC/DC
6
Rys. 8.Charakterystyka diod G-dioda germanowa, K-dioda krzemowa.
Liniowość przetwarzania wyraża się za pomocą charakterystyki przejściowej Uwy = f (Uwe). Jej wy-
kres powinien być linią prostą tzn. że przyrosty napięcia wejściowego "Uwe powinny powodować takie
same przyrosty napięcia wyjściowego "Uwy.
"Uwy
= const
"Uwe
Rys. 9. Charakterystyka przejściowa przetwornika AC-DC.
Jak widać na rys. 9 charakterystyka przejściowa rzeczywistego przetwornika napięcia zmiennego na
stałe (linia ciągła) nie jest linią prostą w zakresie małych napięć wejściowych (tzw. próg). Przyrosty na-
pięć wejściowych nie powodują takich samych przyrostów napięć wyjściowych w całym zakresie.
"Uwy1 "Uwy2
`"
"Uwe "Uwe
2.1.2. Impedancja wejściowa.
Istotnym parametrem przetwornika napięcia zmiennego na stałe jest impedancja wejściowa. Wej-
ście przetwornika nie powinno obciążać obwodu elektronicznego w punkcie pomiaru napięcia zmienne-
Przygotowanie teoretyczne 7
go. Zaletą diodowego przetwornika AC/DC jest stosunkowo duża impedancja wejściowa w szerokim
zakresie częstotliwości. Impedancję wejściową określa się wg prawa Ohma
Uwe
Rwe = [k&!]
Iwe
Prąd wejściowy pobierany z obwodu mierzonego jest stosunkowo mały, ponieważ płynie tylko
wtedy, gdy doładowywany jest kondensator C patrz rys. 7.
2.1.3. Zakres częstotliwości pracy.
Zakres częstotliwości pracy przetwornika napięcia zmiennego na stałe można określić jako pasmo
częstotliwości, przy którym przetwornik działa poprawnie tzn. liniowość i dokładność przetwarzania
mieszczą się w założonych parametrach. Dolną i górną częstotliwość graniczną wyznacza się
z charakterystyki częstotliwościowej w punktach, przy których napięcie wyjściowe (stałe) spada o 3dB
w odniesieniu do wartości maksymalnej.
Rys. 10. Charakterystyka częstotliwościowa i pasmo pracy przetwornika.
Dolna częstotliwość pracy przetwornika jest ograniczona stałą czasową filtru RC. W czasie trwania
ujemnych połówek sygnału wejściowego dioda D rozładowuje się do małej wartości, ponieważ czas roz-
ładowania jest długi patrz rysunek poniżej.
Rys. 11. Wpływ częstotliwości na sygnał wyjściowy f1  częstotliwość większa,
f2 -częstotliwość mniejsza.
Badanie przetworników AC/DC
8
Górna częstotliwość graniczna zależy od parametrów zastosowanej diody. Złącze p-n spolaryzowa-
nego w kierunku zaporowym posiada pewną pojemność. Przy wysokich częstotliwościach dioda traci swe
właściwości prostownicze i zachowuje się jak kondensator. Z tego powodu, do przetworników AC/DC
powinno stosować się diody o wysokiej częstotliwości granicznej tzn. takie, których pojemności złącza
p-n sÄ… jak najmniejsze.
Rys. 12.Schemat zastępczy diody dla wysokich częstotliwości.
2. Zasada działania i parametry aktywnego przetwornika AC/DC.
Do najpoważniejszych wad przetworników diodowych należą:
- nieliniowość charakterystyki przejściowej
- brak wzmocnienia
Nieliniowość charakterystyki przejściowej powoduje, że przy niższych napięciach, pomiary są
obarczone są dużym błędem. Można temu zaradzić stosując wzmacniacz operacyjny z odpowiednio do-
branym układem ujemnego sprzężenia zwrotnego. W ćwiczeniu wybrano układ przetwornika napięcia
zmiennego na stałe, z zastosowaniem wzmacniacza operacyjnego, któremu w obwodzie sprzężenia
zwrotnego wstawiono diodÄ™.
Rys. 13. Przetwornik ze wzmacniaczem operacyjnym.
Przygotowanie teoretyczne 9
Dioda D jest włączona w obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Dla
małych sygnałów dioda ma dużą rezystancję a ujemne sprzężenie zwrotne jest małe powoduje to, że
wzmocnienie wzmacniacza jest bardzo duże. Ze wzrostem napięcia wejściowego rezystancja diody male-
je i wzmocnienie wzmacniacza także maleje. Taki zabieg powoduje, że charakterystyka przejściowa prze-
twornika jest liniowa. Dla ujemnych połówek napięcia wejściowego (dioda spolaryzowana w kierunku
zaporowym) wzmocnienie wzmacniacza jest tak duże, że wchodzi on w zakres nasycenia, co jest zjawi-
skiem niekorzystnym. W celu wyeliminowania takiej możliwości stosuje się jeszcze jedną diodę w pętli
ujemnego sprzężenia zwrotnego, która jest spolaryzowania w kierunku przewodzenia dla ujemnych po-
łówek sygnału i wprowadza silne ujemne sprzężenie zwrotne.
Rys. 14. Układ przetwornika aktywnego.
Na rysunku 14 przestawiono układ aktywnego przetwornika napięcia zmiennego na stałe z diodą D2
zapobiegającą nasycaniu się wzmacniacza dla ujemnych połówek napięcia wejściowego. Wzmacniacz
operacyjny pracuje w układzie odwracającym, który objęty jest pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego
R2
złożonego z rezystorów R1 i R2 wyznaczających wzmocnienie wzmacniacza równe Ku = . Takie roz-
R1
wiązanie (charakterystyczne dla wzmacniacza odwracającego) powoduje, że rezystancja wejściowa tego
przetwornika jest równa R1. Przetworniki aktywne pracują na ogół w zakresie częstotliwości akustycz-
nych.