POLITECHNIKA BIAA
OSTOCKA
WYDZIAA
ELEKTRYCZNY
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych dla studentów
WYDZIAA
U 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 UKA
ADÓW FILTRUJ
CYCH
Opracował
dr inż. Stanisław Jałbrzykowski
BIAA
YSTOK 2013
Instrukcja jest własnością Katedry Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych.
Do użytku wewnętrznego katedry.
Powielanie i rozpowszechnianie zabronione
2
Ogólne zasady bezpieczeństwa
qð Przed przystÄ…pieniem do zajęć należy zapoznać siÄ™ z instrukcjÄ… dydaktycznÄ… do stanowiska
laboratoryjnego.
qð Dokonać oglÄ™dzin urzÄ…dzeÅ„ i przyrzÄ…dów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych
nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego.
qð Zabrania siÄ™ samodzielnego zaÅ‚Ä…czania stanowiska bez zgody prowadzÄ…cego.
qð Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostÄ™pnych manipulatorów
(potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich
działań.
qð Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany poÅ‚Ä…czeÅ„
przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania
stanowiska.
qð W przypadku zaÅ‚Ä…czania ukÅ‚adów napÄ™dowych należy zachować odpowiedniÄ… kolejność
czynności.
qð Po zaÅ‚Ä…czeniu stanowiska wykonywanie przeÅ‚Ä…czeÅ„ (np. wymiana przyrzÄ…du) w ukÅ‚adzie
znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.
qð W w/w stanowisku dostÄ™pne sÄ… części czynne obwodu elektrycznego o napiÄ™ciu
przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować
odpowiednie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem
elektrycznym.
qð Stosowanie sposobów sterowania, ustawieÅ„ lub procedur innych niż opisane w instrukcji może
spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie
stanowiska.
qð Nie należy podÅ‚Ä…czać urzÄ…dzeÅ„ nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem
laboratoryjnym.
qð Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prÄ…dów, napięć sygnałów sterujÄ…cych może
doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.
qð W przypadku pojawienia siÄ™ symptomów nieprawidÅ‚owego dziaÅ‚ania (np. swÄ…d spalenizny)
natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający.
qð Demontaż osÅ‚on stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynnoÅ›ci serwisowe, oprócz opisanych w
instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany personel po wyłączeniu
stanowiska.
qð Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji lub na
obudowie urzÄ…dzenia.
qð UrzÄ…dzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miÄ™kkiej szmatki. Nie należy
stosować do tych celów rozpuszczalników.
qð Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory, zasilacze itp.) należy
przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:
·ð Do zasilania przyrzÄ…du należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu.
·ð Nie należy podÅ‚Ä…czać lub odÅ‚Ä…czać sond i przewodów pomiarowych, gdy sÄ… one doÅ‚Ä…czone
do z
ródła napięcia.
·ð PrzyrzÄ…d powinien być poÅ‚Ä…czony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu
zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu
ochronnego sieci.
·ð Przewód uziemiajÄ…cy sondy należy podÅ‚Ä…czać tylko do uziemienia ochronnego. Nie należy
podłączać go do punktów o wyższym potencjale.
·ð Aby uniknąć porażenia prÄ…dem podczas używania sondy, należy trzymać palce nad
pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy sonda
jest podłączona do z
ródła napięcia
·ð Nie dotykać koÅ„cówek przewodów Å‚Ä…czeniowych w trakcie wykonywania pomiarów.
3
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 prÄ…du 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 z
ródła) jest dodatnie, tzn. potencjał anody jest wyższy niż
potencjał katody, dioda jest w stanie przewodzenia. Przez diodę płynie prąd iD
o zwrocie od anody do katody. W stanie przewodzenia wartość napięcia na
4
diodzie (uD = uAK) jest niewielka i w uproszczeniu można przyjąć, że jest
pomijalnie maÅ‚a, czyli uD ð 0. Rezystancja diody w stanie przewodzenia również
jest niewielka i w uroszczeniu można przyjąć, że jest pomijalnie mała, czyli
RD ð 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 (IF). Przekroczenie wartości prądu roboczego może
spowodować cieplne zniszczenie diody.
Stan zaporowy diody (rys. 2b). Gdy napięcie na diodzie (dołączone
z zewnętrznego z
ródła) 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
RD®ðÄ„ð. 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
(URRM). Przekroczenie podanej wartości może spowodować zjawisko przebicia
diody i zniszczenie diody.
2. Prostownik diodowy
Ogólnie dostępnym z
ródłem 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
5
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) U1 jest najczęściej obniżane
do wartości U2 (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:
·ð wartość chwilowa napiÄ™cia przemiennego sieci zasilajÄ…cej (u1)
i wartość chwilowa napięcia przemiennego zasilającego prostownik czyli
napięcia wtórnego transformatora (u)
u1 = u1(t) = U1msinwðt, u = u(t) = u2(t) = Umsinwðt,
gdzie U1m, Um  amplitudy napięć przemiennych,
wð = 2pðf, f - czÄ™stotliwość napiÄ™cia zasilajÄ…cego, f = 50 Hz;
6
Um
·ð wartość skuteczna napiÄ™cia zasilajÄ…cego U =ð Usk =ð
2
·ð wartość Å›rednia napiÄ™cia na odbiorniku (Uo) i prÄ…du odbiornika (Io)
T T
1 1
Uo =ð Uosr =ð (t)dt ; Io =ð Iosr =ð (t)dt ;
o o
òðu òði
T T
0 0
·ð wartość skuteczna napiÄ™cia na odbiorniku (Uosk) i prÄ…du odbiornika (Iosk)
T T
1 1
2 2
Uosk =ð
o o
òðu (t)dt , Iosk =ð T òði (t)dt ,
T
0 0
gdzie uo(t), io(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;
·ð współczynnik tÄ™tnienia napiÄ™cia na odbiorniku kt, jako miara jakoÅ›ci
przekształcania napięcia przemiennego na napięcie stałe. Im wyższa jest jakość
przekształcania, tym mniejsza jest wartość współczynnika tętnienia. Dla napięcia
stałego w czasie współczynnik tętnienia kt = 0.
2 2
Uosk -ðUosr
kt =ð ×ð
Uosr
Ponadto do opisu działania układów filtrujących stosowanych na wyjściu
prostowników wymagana jest znajomość właściwości kondensatorów i cewek
indukcyjnych w obwodach prądu stałego i zmiennego.
7
Prostownik jednopulsowy (jednopołówkowy)
Schemat układu prostownika jednopulsowego, bez filtru, obciążonego
odbiornikiem rezystancyjnym RO 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:
·ð transformator (Tr) obniżajÄ…cy wartość skutecznÄ… napiÄ™cia przemiennego
(sieciowego),
·ð 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 sÄ… przebiegi czasowe:
- napięcia zasilającego prostownik, tzn. napięcia wtórnego transformatora u2 = u,
- napięcia wyprostowanego na odbiorniku uo.
8
W układzie tym wartość maksymalna napięcia na odbiorniku jest równa
wartości maksymalnej napięcia zasilającego prostownik (Um).
Na przebiegu napięcia wyprostowanego uo (rys. 4b) zaznaczone są odpowiednio:
- wartość maksymalna Uom = Um,
- wartość skuteczna Uosk = Um/2,
- wartość Å›rednia Uo = Um/pð.
Wartości skuteczną i średnią napięcia na odbiorniku można wyrazić
w powiązaniu z wartością skuteczną napięcia zasilającego prostownik U
2 2
(sinusoidalnie zmiennego): Uosk =ð U ð 0,71U , Uo =ð U ð 0,45U .
2 pð
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.
9
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, Ro. 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 tð = RoC. Im wiÄ™ksza jest wartość staÅ‚ej czasowej (iloczynu RoC), 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 = u2  wartość chwilowa przemiennego napięcia zasilającego prostownik,
uo  przebieg czasowy napięcia na odbiorniku oraz wartości:
Uosk  skuteczna, i Uo  średnia,
iD, uD  przebiegi czasowe prądu diody i napięcia na diodzie.
Efektem zastosowania filtru pojemnościowego jest:
- możliwość uzyskania przebiegu ciągłego (bezprzerwowego) napięcia i prądu
odbiornika rezystancyjnego Ro,
10
- zmniejszenie zakresu zmian napięcia (tętnień) na odbiorniku, tzn.
DðUo = (Uomax  Uomin),
- zmniejszenie współczynnika tętnienia kt 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 Ro. 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 = u2  wartość chwilowa przemiennego napięcia zasilającego prostownik,
uo  przebieg czasowy napięcia na odbiorniku oraz wartości:
Uosk - skuteczna i Uo  średnia,
11
uL  przebieg czasowy napięcia na dławiku L,
uD  przebieg czasowy napięcia na diodzie.
Efektem zastosowania filtru indukcyjnego jest:
- wydłużenie czasu trwania pulsu prądu odbiornika ponad połowę okresu
zmienności napięcia,
- zmniejszenie współczynnika tętnienia kt 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 sÄ… na rys.7, przy czym na
rys.7a) przestawiony jest schemat ukÅ‚adu z filtrem LC typu gamma - Gð, a na rys.
7b) z filtrem CLC typu pi- Pð
Rys. 7. Prostownik jednopulsowy z filtrem mieszanym pojemnościowo-indukcyjnym:
a) schemat ukÅ‚adu z filtrem Gð, b) schemat ukÅ‚adu z filtrem Pð.ð ð
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.
12
Prostownik dwupołówkowy (dwupulsowy) mostkowy
Schemat mostkowego prostownika dwupołówego bez filtru obciążonego
odbiornikiem rezystancyjnym RO pokazany jest na rys.8a). W skład prostownika
wchodzÄ…:
·ð transformator (Tr) obniżajÄ…cy wartość skutecznÄ… napiÄ™cia przemiennego
(sieciowego),
·ð D1, D2, D3, D4 - diody prostownicze
Rys. 8. Prostownik dwupulsowy mostkowy: a) schemat, b) przebiegi napięcia zasilania
i napięcia wyprostowanego na odbiorniku
W prostowniku dwupulsowym mostkowym prÄ…d przewodzony jest kolejno
przez pary diod:
- (D1, D4)  gdy wartości chwilowe napięcia zasilającego są dodatnie i diody te
sÄ… w stanie przewodzenia, w tym czasie diody (D2,, D3) sÄ… wstanie zaporowym i
nie przewodzÄ… prÄ…du,
- (D2,, D3)  gdy wartości chwilowe napięcia zasilającego są ujemne i diody te są
w stanie przewodzenia, w tym czasie diody (D1,, D4) sÄ… wstanie zaporowym i nie
przewodzÄ… prÄ…du.
13
W każdym okresie prąd odbiornika tworzy dwa pulsy a wartość chwilowa
napięcia na odbiorniku jest równa wartości bezwzględnej napięcia zasilającego.
Na rys.8b) zaprezentowane sÄ… przebiegi czasowe:
- napięcia zasilającego prostownik, które jest napięciem wtórnym transformatora,
u = u2,
- napięcia  wyprostowanego na odbiorniku, uo,
Na przebiegu napięcia wyprostowanego zaznaczone są:
- Um - wartość maksymalna napięcia na odbiorniku równa wartości maksymalnej
napięcia zasilającego,
Um
- wartość skuteczna napiÄ™cia na odbiorniku Uosk =ð ,
2
2Um
- wartość Å›rednia napiÄ™cia na odbiorniku U0 =ð Uosr =ð .
pð
Wartości skuteczną i średnią napięcia na odbiorniku można wyrazić
w powiązaniu z wartością skuteczną napięcia zasilającego prostownik U
2 2
(sinusoidalnie zmiennego): Uosk =ð U , Uo =ð U ð 0,9U .
pð
Prostownik dwupulsowy z filtrem pojemnościowym C
Na rys.9a) przedstawiony jest schemat prostownika dwupulsowego
z odbiornikiem rezystancyjnym Ro i filtrem pojemnościowym C.
W tym układzie diody przewodzą prąd parami (D1, D4) i (D2,, D3) 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, Ro.
14
Rys. 9. Mostkowy prostownik dwupulsowy z filtrem pojemnościowym: a) schemat,
b) przebiegi napięć i prądów.
Na rys. 9b) przedstawione sÄ… przebiegi czasowe:
- napięcia zasilającego prostownik, które jest napięciem wtórnym transformatora,
u = u2,
- napięcia  wyprostowanego na odbiorniku, uo z wartością średnią napięcia na
odbiorniku Uo,
- prądu wyjściowego prostownika iwy.
Prąd wyjściowy prostownika jest prądem impulsowym jedkokierunkowym. Prąd
pobierany ze z
ródła (transformatora) jest prądem zmiennym impulsowym, co jest
wadą tego układu.
Wartości chwilowe napięcia na odbiorniku - uo zmieniają się w zakresie
DðUo = (Uomax  Uomin). Zakres ten, a szczególnie wartość minimalna Uomin zależy
od staÅ‚ej czasowej obwodu tð = RoC.
Im większa jest wartość stałej czasowej, tym większa jest wartość Uomin
i mniejszy zakres zmian napiÄ™cia DðUo W efekcie współczynnik tÄ™tnienia napiÄ™cia
jest mniejszy.
15
Prostownik dwupulsowy z filtrem mieszanym LC
Na rys. 10a). przedstawiony jest schemat przykładowego prostownika
dwupulsowego mostkowego z filtrem mieszanym LC typu Gð i odbiornikiem
rezystancyjnym. ðW ukÅ‚adzie tym możliwe jest uzyskanie przebiegu czasowego
napiÄ™cia na odbiorniku o niewielkim zakresie zmian DðUo, tzn. o maÅ‚ej wartoÅ›ci
współczynnika tętnienia napięcia kt. Przebiegi napięcia zasilającego - u i
napięcia na odbiorniku - uo 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.
16
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 znajdujÄ…ce siÄ™ w obudowie stanowiska laboratoryjnego:
- T  transformator o mocy pozornej 250VA,
U1 = 230V, U2 = 24V, f = 50Hz;
- D1÷ D4  diody półprzewodnikowe D22 10R, IF = 10A, URRM = 600V,
- C1, C2  kondensatory elektrolityczne 220 mðF, 350V,
- L  dławik filtrujący o indukcyjności około 50 mH,
- Rd  odbiornik rezystancyjny o rezystancji staÅ‚ej 22Wð,
- A1(śr), A3(śr)  amperomierze magnetoelektryczne do pomiaru wartości
średnich prądu,
- A2(sk), A4(sk)  amperomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości
skutecznych prÄ…du,
- 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 33Wð i prÄ…dzie
znamionowym IR = 3,1 A oraz IRmax = 4,4A w czasie 15 min;
- oscyloskop z zestawem sond pomiarowych napięciowych i sondą prądową.
17
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 RO, którą można zmieniać dzięki zastosowaniu
rezystora (opornika) suwakowego. Dołączane do odbiornika RO 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 Gð lub z filtrem typu Pð.ð
18
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.
19
Wyjaśnienia do schematów pomiarowych
V1 - woltomierz magnetoelektryczny do pomiaru wartości średniej napięcia na
odbiorniku Uośr;
V2 - woltomierz elektromagnetyczny do pomiaru wartości skutecznej napięcia
odbiornika Uosk;
A1, A3 - amperomierze magnetoelektryczne do pomiaru wartości średnich
odpowiednio prądu jednej diody IDśr i prądu odbiornika Iośr;
A2, A4 - amperomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości skutecznych
odpowiednio prÄ…du jednej diody IDsk i prÄ…du odbiornika Iosk.
Połączenie układów zgodnie z rysunkami 12, albo 13 umożliwia badanie
prostowników z odbiornikiem rezystancyjnym RO 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.
20
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  IDśr,
- wartość skuteczną prądu jednej diody  IDsk,
- wartość średnią prądu odbiornika  Iośr,
- wartość skuteczną prądu odbiornika  Iosk.
21
 Tabela 1 - wyniki pomiarów i obliczeń
wyniki pomiarów wyniki obliczeń
V1 V2 A1 A2 A3 A4 IDśr IDsk Uośr Uosk
kt
Iośr Iosk U U
Uośr Uosk IDśr IDsk Iośr Iosk
odb. V V A A A A - - - - %
RO
1 RO C
RO L
RoCL
RoCLC
RO
RO C
2 RO L
RoCL
ROCLC
1- prostownik jednopulsowy, 2 - prostownik dwupulsowy
4. Wykonać pomiary do wyznaczania charakterystyki zewnętrznej (obciążenia)
prostownika, Uośr = f(Iośr) i Uosk = f(Iosk).
Wartości średnią i skuteczną prądu odbiornika należy zmieniać przez zmianę
rezystancji R0, tzn. zmianę położenia suwaka opornika suwakowego. Wyniki
pomiarów wpisać do Tabeli 2.
Tabela 2 - wyniki pomiarów do wyznaczenia charakterystyki zewnętrznej
Iośr A 0
Uośr V
Iosk A 0
Uosk V
22
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 napiÄ™cia na odbiorniku obliczyć DðUo = (Uomax  Uomin) oraz innÄ…
DðUo
postać współczynnika tÄ™tnienia napiÄ™cia, kt1 =ð ×ð100% .
Uośś
5. Z oscylogramów prądu i napięcia jednej diody odczytać czas trwania
przewodzenia diody w jednym okresie - tD. Odczytać maksymalną
bezwzględną wartość napięcia wstecznego na jednej diodzie  UDmax.
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 IDśr / Iośr oraz IDsk / Iosk,, Uośr/U,
Uosk/U. (Omówić wyniki porównania).
23
4. Obliczyć współczynnik tętnień (kt) napięcia odbiornika według wzoru:
-ð
=ð ×ð
Punkt 5. programu badań
1. Na podstawie wyników pomiarów z Tabeli 2 wykreślić charakterystyki
zewnętrzne Uośr = f(Iośr), w jednym układzie współrzędnych dla wszystkich
badanych układów. Wykresy wykonać na papierze milimetrowym.
2. Na podstawie charakterystyk zewnętrznych porównać cechy badanych
prostowników jednofazowych jako z
ródeł napięcia stałego.
Tabela 3 - wyniki odczytów i obliczeń
wyniki odczytów wyniki obliczeń
Uoma tD
Uomin IDmin IDmax Iomin Iomax tD kt1 kt
T
x
odb. V V A A A A ms - % %
RO
1 RO C
RO L
RoCL
RoCLC
RO
RO C
2 RO L
RoCL
ROCLC
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 (kt1 i kt2)
oraz charakterystyk zewnętrznych.
Podać zalety i wady badanych układów prostowniczych.
24
VI. LITERATURA
1. Zbiorowy (Hempowicz P. i inni): Elektrotechnika i elektronika dla
nieelektryków. PWN, Warszawa, 1999.
2. Kaz
mierkowski 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.
25