Adam Mirecki Gr IV 98.05.21.

Laboratorium Energoelektroniki

Ćwiczenie 10

Prostowniki Diodowe

1. Wstęp.

Prostowniki są to układy, które przekształcają prąd przemienny na prąd jednokierunkowy. Prostownik składa się z przemiennego źródła zasilania, zaworów (diod-prostowniki niesterowane lub tyrystorów-prostowniki sterowane) oraz ewentualnych elementów wygładzających (pojemności oraz indukcyjności). Za cel ćwiczenia stawiamy określenie podstawowych parametrów różnie skonfigurowanych jednofazowych prostowników diodowych. Parametry te wskazują na jakość wyprostowanego prądu oraz pobór i straty mocy analizowanego przekształtnika.

2. Prostownik jednopołówkowy.

Prostowniki jednofazowe mogą być w zależności od konstrukcji jedno lub dwupulsowe. Prostowniki jednopołówkowe przepuszczają przez uzwojenie wtórne transformatora zasilającego prąd wyłącznie w jednym kierunku.

2.1. Schemat pomiarowy.

2.2. Urządzenia pomiarowe.

• R₁=100 R₂=100 R₃=200; R_B=2; L=0.5H; C=32F

• V₁, V₂: Woltomierze elektromagnetyczne tablicowe

• V₃: Woltomierz tablicowy magnetoelektryczny

• A₁: Amperomierz elektromagnetyczny tablicowy

• A₂, A₃: Amperomierze magnetoelektryczne tablicowe

• Oscyloskop Philips PM 3208, numer fabryczny: 007817 do pomiaru napięć: U_Z, U_O, U_D, U_I

• Do pomiaru napięć U_D oraz U_Z użyto dzielnika napięcia o przekładni

2.3. Pomiary.

Do poszczególnych typów obciążenia poprzez wyłączniki W₁, W₂, W₃ załącza się odpowiednie elementy:

- Obciążenie czysto rezystancyjne

- Obciążenie rezystancyjno indukcyjne

- Obciążenie rezystancyjno pojemnościowe

Uwaga: Obciążenie przy pomiarach symbolizuje układ wygładzający wraz z obciążeniem (np. gdy mamy W₃=1 to możemy powiedzieć, że układem wygładzającym jest kondensator a obciążeniem czysta rezystancja).

	ITr [A]	UTr [V]	IF(AV) [A]	IFM [A]	URM [V]	Id [A]	Idmax [A]	Idmin [A]	Ud [V]	Udmin [V]	Udmax [V]
R	0,75	110	0,45	1,75	155	0,45	1,75	0	39	0	125
RL	0,3	110	0,25	0,75	110	0,25	0,75	0	12	-110	125
RC	1,27	110	0,7	2,5	150	0,7	2,5	0	52	0	125

Pomiar oscyloskopem prądu przepływającego przez obciążenie wykonano za pomocą opornika bocznikującego R_B wykorzystując zależność: .

2.4. Przebiegi.

Dla każdego typu obciążenia zostały wykreślone przebiegi napięcia na diodzie U_D(t), napięcia wyprostowanego na odbiorniku U_o(t) oraz wyprostowanego prądu płynącego przez odbiornik I_o(t).

Przy obciążeniu czysto rezystancyjnym dioda D₁ jest w stanie przewodzenia tylko jedną połowę okresu (napięcie U_d nieujemne), prąd jest więc przepuszczany też tylko przez ten półokres dając przebieg prądu w kształcie obciętej sinusoidy.

Gdy obciążymy prostownik odbiornikiem rezystancyjno-indukcyjnym otrzymujemy przebieg prądu wyprostowanego w formie jak w przypadku poprzednim lecz zniekształcony. Zniekształcenie jest spowodowane indukcyjnością cewki L, która przeciwstawia się gwałtownym zmianom prądu - „końce” półsinusoidy są zaokrąglone przy załączaniu napięcia. Natomiast przy wyłączaniu się diody prąd maleje raptownie do zera, a energia zmagazynowana w cewce jest rozpraszana w pozostałych elementach układu: rezystancje i pojemności równoległe (na wykresie U_o połączenie dwóch półsinusoid w czasie gdy I_o=0). Gdyby nie istniały elementy równoległe obserwowalibyśmy duże skoki napięcia na odbiorniku przy wyłączaniu diody.

Jeśli obciążymy prostownik układem rezystancyjno-pojemnościowym otrzymamy wygładzenie napięcia wyprostowanego (w przeciwieństwie do obciążenia RL gdzie wygładzony został prąd). Im większa będzie pojemność tym mniejsze otrzymamy zmiany napięcia wyprostowanego. Analogiczna uwaga dotycząca wygładzania prądu przy obciążeniu RL dla indukcyjności cewki nie jest ważna ze względu na przerwania w przepływie prądu.

3. Prostownik dwupołówkowy.

Prostownik dwupulsowy charakteryzuje się tym, że prąd przez wtórne uzwojenie transformatora płynie w dwie strony przez co otrzymujemy dwa pulsy zamiast jednego w jednym okresie zasilania.

3.1. Schemat połączeń.

A₄: Amperomierz tablicowy magnetoelektryczny

Pozostałe elementy układu jak w prostowniku jednopulsowym

Uwaga: Napięcia na obu częściach transformatora przy wszystkich układach były takie same: U₁=110V. Także prądy i napięcia średnie na obu diodach D₁ i D₂ odnotowano jako jednakowe.

3.2. Pomiary.

	ITr [A]	UTr [V]	IF(AV) [A]	IFM [A]	URM [V]	Id [A]	Idmax [A]	Idmin [A]	Ud [V]	Udmin [V]	Udmax [V]
R	1,1	110	0,45	1,75	125	0,9	1,75	0	90	0	125
RL	1	110	0,49	1,25	125	0,96	1,25	0,7	87	0	125
RC	1,72	110	0,6	2,25	250	1,1	2,25	0	93	30	125

3.3. Przebiegi.

Obciążając prostownik dwupulsowy czystą rezystancją otrzymujemy przebiegi prądu i napięcia wyprostowanego w całym okresie, czyli prąd transformatora płynie raz w jedną (dioda D₁ w stanie przewodzenia a D₂ zablokowana) a raz w drugą stronę (dioda D₂ w stanie przewodzenia a D₁ zablokowana).

Przy obciążeniu RL przepływ prądu jest ciągły nawet gdy napięcie U_o spada do zera. Jest to wymuszenie przepływu prądu przez energię zgromadzoną w cewce L. Jest to możliwe, w przeciwieństwie do prostownika jednopulsowego, gdyż zawsze jedna z diod jest w stanie przewodzenia. W tym przypadku im większa jest wartość indukcyjności cewki L tym gładszy otrzymamy przebieg prądu I_o(t) nawet przy dużych skokach napięcia U_o(t).

Obciążenie rezystancyjno-pojemnościowe działa analogicznie. Napięcie na odbiorniku zostaje wygładzone poprzez energię zgromadzoną przez kondensator uniemożliwiającą gwałtowne skoki napięcia nawet przy dużych wahaniach prądu.

4. Obliczenia.

Użyte do pomiarów mierniki tablicowe były klasy 2.5 a więc pomiary obarczone są dużym błędem pomiarowym. Na dodatek przebiegi nie są sinusoidalne lecz zniekształcone - a mierniki magnetoelektryczne są przystosowane do pomiaru przebiegów sinusoidalnych - żaden pomiar nie byłby dokładny nawet przy laboratoryjnej klasie urządzeń. Obliczone poniżej parametry są więc wielkościami orientacyjnymi.

			Pd	STr	STr/Pd	Ud/UTr	URM/Ud	IF(AV)/Id	IFM/Id
		R	17,6	82,5	4,7	0,4	4,0	1,0	3,9	3,2	3,9
1-puls		RL	3,0	33,0	11,0	0,1	9,2	1,0	3,0	19,6	3,0
		RC	36,4	139,7	3,8	0,5	2,9	1,0	3,6	2,4	3,6
		R	40,5	121,0	6,0	0,8	1,4	2,0	3,9	1,4	3,9
2-pulsy		RL	42,6	110,0	5,2	0,8	1,4	2,0	2,6	1,4	1,1
		RC	55,8	189,2	6,8	0,8	2,7	1,8	3,8	1,0	3,8

Na podstawie powyższych obliczeń możemy stwierdzić, że prostownik dwupulsowy posiada znacznie lepsze parametry od prostownika jednopulsowego. Stosunek , czyli stopień prostowania napięcia jest dwukrotnie wyższy przy zastosowaniu prostownika dwupołówkowego. Przy prostowniku jednopulsowym mamy gorszy współczynnik przewymiarowania transformatora, szczególnie dla obciążenia RL. Na niekorzyść prostownika dwupulsowego może świadczyć trudność w wykonaniu dzielonego transformatora w przypadku zasilania z sieci jednofazowej.

5. Prostownik jednopulsowy z diodą zwrotną.

Aby pozbyć się niepożądanego spadku napięcia wyprostowanego do wartości ujemnych przy obciążeniu zawierającym indukcyjność stosuje się układ z diodą zwrotną. W ten sposób otrzymujemy napięcie wyprostowane U_o (jak na przebiegu) zawsze nieujemne. Dzięki takiemu rozwiązaniu poprawia się znacznie sprawność.

1

---