Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Elblągu IIS

Instytut Politechniczny

Laboratorium Elektroniki

Ćwiczenie nr 1

Prostowniki prądu stałego jedno- i dwupołówkowe

1. Wstęp

Energoelektronika jest działem elektroniki przemysłowej, obejmującej zagadnienia związane ze sterowaniem i przetwarzaniem energii elektrycznej. Przetwarzaniu podlegają wartości chwilowe prądów
i napięć, zarówno stałych, jak i zmiennych (przemiennych). Przekształcenie tych wielkości jest dokonywane za pomocą energoelektronicznych układów przekształtnikowych, zwanych przekształtnikami.

W ogólnej klasyfikacji przekształtników wyróżniamy:

• prostowniki energoelektroniczne, przeznaczone do prostowania, czyli przekształcania energii prądy przemiennego na energię prądu stałego;

• falowniki, przeznaczone do falowania, czyli przekształcania energii prądu stałego na energię prądu przemiennego;

• przekształtniki prądu stałego, czyli układy do przekształcania energii prądu stałego na taki sam rodzaj energii, ale o innych wartościach napięć i prądów;

• przekształtniki prądu przemiennego, czyli układy do przekształcania energii prądu przemiennego na taki sam rodzaj energii, ale np. o innej częstotliwości lub liczbie faz.

Odrębną ważną grupę urządzeń energoelektronicznych stanowią łączniki prądu stałego i zmiennego.

Charakterystyczną cechą układów energoelektronicznych jest występowanie w nich przyrządów półprzewodnikowych mocy - diod, tyrystorów i tranzystorów mających właściwości przewodzenia dużych prądów i blokowania dużych napięć. W każdym takim układzie można wyróżnić obwody energetyczne i obwody sterowania pracą tych elementów. Tyrystory i tranzystory mocy mogą być rozpatrywane z jednej strony jako elementy sterujące ( mocą), z drugiej zaś jako elementy sterowane.

Dzięki intensywnemu rozwojowi nowych zintegrowanych układów sterowania i nowych półprzewodnikowych przyrządów mocy, techniki energoelektroniczna umożliwia budowę urządzeń elektroniki przemysłowej o bardzo wysokiej niezawodności i sprawności, a także o właściwościach często niemożliwych do realizowania za pomocą innych technik.

2. Prostowniki

Prostowniki są przekształtnikami stosowanymi do przekształcania energii prądu przemiennego
w energię prądu stałego. Jeżeli w układzie prostowniczym elementami zaworowymi są wyłącznie diody, to układ taki jest nazywany prostownikiem niesterowanym. W prostowniku, przekształcaniu podlegają przebiegi przemienne, zatem przebiegi wyprostowane są przebiegami pulsującymi. Liczba pulsów przypadająca na jeden okres prostowanego przebiegu zależy od układu prostownika. Rodzaj prostownika - przy danej wartości napięcia przemiennego - decyduje również o wartości napięcia wyprostowanego, rozumianej w zagadnieniu prostownikowych, jako wartość średnia tego napięcia.

3. Prostownik jednopulsowy

Układ prostownika jednopulsowego przedstawiona na rys. 1.

Rysunek 1.

Wartości chwilowe napięć w tym obwodzie zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa spełniają równanie:

którego rozwiązaniem jest wyrażenie określające wartość chwilową prądu wyprostowanego:

Wartość średnia napięcia wyprostowanego na obciążeniu prostownika:

Natomiast wartość skuteczna tego napięcia

i odpowiednio prądy

4. Prostownik dwupołówkowy

Dwupulsowe układy prostownikowe mogą być realizowane jako jednokierunkowe i mostkowe.

Na rys. 2 przedstawiono układ jednokierunkowy (przez daną część uzwojenia wtórnego transformatora prąd płynie tylko w jednym kierunku). Układ ten można traktować formalnie jako układ dwufazowy. Zaleta układu jest występowanie w nim tylko dwóch zaworów. Wadą - przede wszystkim transformator z dzielonym (dokładnie na połowy) uzwojeniem wtórnym.

Wady tej nie ma układ mostkowy. Na rys. 3 przedstawiono jednofazowy mostkowy prostownik pełno okresowy, tzw., układ Graetza. Układ ten może być bezpośrednio (bez transformatora) włączony do sieci. Przebiegi prądu i napięcia wyprostowanego są jednakowe w obydwu układach.

Rysunek 2.

Rysunek 3

Przewodzeniu diody np. D₁ w układzie dwufazowym, odpowiada w układzie mostkowym przewodzenie pary diod D₂-D₄, natomiast diodzie D₂ - para D₁-D₄.

Maksymalne napięcie wsteczne diod układu dwuzaworowego jest równe maksymalnemu napięciu źródła. W układzie mostkowym napięcie to rozkłada się na dwa zawory szeregowo blokujące daną falę. Zatem
w układzie Graetza można stosować diody do pracy przy niższych napięciach.

Dwupulsowe prostowanie umożliwia uzyskanie 2-krotnie większych wartości średnich prądu i napięć na obciążeniu niż przy prostowaniu jednopulsowym ( pole powierzchni ograniczonej przez przebiegi chwilowe w przedziale jednego okresu jest dwa razy większe). Zatem w układach dwupulsowych wartość średnia napięcia wyprostowanego U_dAV=0,9U.

5. Przygotowanie do ćwiczenia

Na podstawie danych katalogowych elementów elektronicznych należy określić napięcie zasilania, wartość prądu obciążenia. Narysować schematy obwodów oraz podać wartości źródeł zasilania, zakresy przyrządów pomiarowych i obciążenia. Narysować tablice pomiarowe dla obydwu układów prostowników.
W protokole do sprawozdania należy umieścić wykaz elementów i przyrządów możliwych do użycia
w ćwiczeniu.

6. Przebieg ćwiczenia

Przedstawić prowadzącemu laboratorium przygotowanie do ćwiczenia. Sprawdzić rodzaj i zakres niezbędnych przyrządów. Połączyć na stole laboratoryjnym obwody pomiarowego według przyjętego schematu z rys. 1. Ustalić parametry obciążenia obwodu, dobrać według nich zakresy pomiarowe przyrządów. Wykonać pomiary napięć i prądów w obwodzie dla różnych wartości napięcia zasilającego prostownik. Dokonać korekt zakresów przyrządów tak, aby ich wskazania były większe od 2/3 zakresu pomiarowego. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1. Włączyć oscyloskop i dokonać odpowiednich nastawień jego zakresów. Do wybranych węzłów obwodu przyłączyć sondy oscyloskopu dwukanałowego. Zmierzyć amplitudy napięć pomiędzy wybranymi punktami oraz uzupełnić tabelę 1. Taką samą procedurę wykonać dla prostownika dwupołówkowego. Pod dokonaniu pomiarów policzyć wartości prądu i napięcia średniego oraz rezystancji obciążenia dla wskazanych przez tabelę 1 i 2 punktów pomiarowych. Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić odpowiednio w tabeli 1 i odpowiednio tabeli 2.

Przerysować jeden przebieg napięcia i prądu w obwodzie z oscyloskopu oraz nanieść na nim okres przebiegu, amplitudę, wartości maksymalną i średnią napięcia i prądu.

Lp.	I1	U1	UOsc	I1śr	U1śr	R1
		[A]	[V]	[V]	[A]	[V]	[Ω]
1
2
3
4
5

Tabela 1.

Lp.	I1	U1	UOsc	I1śr	U1śr	R1
		[A]	[V]	[V]	[A]	[V]	[Ω]
1
2
3
4
5

Tabela 2.

7. Zakres sprawozdania

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• schematy obwodu wykonane jako przygotowanie do ćwiczenia

• wykaz i dane znamionowe elementów i przyrządów użytych w ćwiczeniu

• wyniki pomiaru poszczególnych elementów obwodu

• tablice wyników pomiarów

• porównanie zmierzonych wielkości z wielkościami obliczonymi

• spostrzeżenia i wnioski wynikające z laboratorium

8. Pytania kontrolne

1. Podać podstawowe parametry diody prostowniczej?

2. Co to jest współczynnik tętnień prostownika i jak go policzyć?

3. Porównanie parametrów prostownika dwupołówkowego mostkowego i układu Greatz'a

4. Porównanie prostowników `sterowanych i niesterowanych.

9. Literatura

1. Poradnik inżyniera elektryka, Tom 2, WNT Warszawa

2. Tunia H, Winiarski B.: Energoelektronika w pytaniach i odpowiedziach, WNT Warszawa

3. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektronika, WKŁ Warszawa

4. Hempowicz P.: Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków, WNT Warszawa

10. Wykaz elementów i przyrządów możliwych do użycia w ćwiczeniu

1. Rezystor suwakowy.....................................................................................................

2. Autotransformator.......................................................................................................

3. Amperomierz..............................................................................................................

4. Woltomierz.................................................................................................................

5. Oscyloskop.................................................................................................................

4

---