Ćwiczenie 2/V

Badanie prostowników.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie uczniów z podstawowymi metodami praktycznych badań prostowników, możliwościami wpływania na kształt uzyskiwanych z nich przebiegów oraz warunkami ich doboru do zasilania układów i urządzeń elektryczno-elektronicznych.

Po zrealizowaniu ćwiczenia uczeń powinien:

• znać zasady budowy i działania oscyloskopów oraz ich możliwości wykorzystania /P/;

• znać zasady przeprowadzania pomiarów okresu, częstotliwości, przesunięcia fazowego i podstawowych parametrów przebiegów impulsowych z wykorzystaniem właściwych sond pomiarowych za pomocą oscyloskopu oraz umieć je praktycznie wykonać /P/;

• umieć porównać zalety i wady poznanych metod pomiarowych oraz wybrać optymalną metodę pomiarów w zależności od potrzeb /P+PP/;

• opracować dokumentację techniczną z przeprowadzonych pomiarów z uwzględnieniem oceny ich jakości popartej dyskusją błędów /P+PP/;

• przestrzegać przepisów bhp w trakcie pomiarów zarówno podczas pracy indywidualnej, jak i zespołowej /P+PP/.

1. Wykaz przyrządów i ich dane techniczne.

Układ do badania prostowników typ SO4201-8D, nr fabryczny -------;

O – oscyloskop dwukanałowy, typ HM305, nr fabryczny 60528;

G – generator napięć zmiennych, typ LM4500, nr fabryczny 910334;

MC₁,MC₂ – multimetry cyfrowe, typ M-36400, nr fabryczny FJ135868;

Zestaw sond pomiarowych i przewodów łączeniowych.

1. Badanie prostownika jednopołówkowego.

3.1 Schemat blokowy układu pomiarowego.

2. Schemat pomiarowy układu

2. Przeprowadzić obserwację i pomiar napięć wejściowych i wyjściowych prostownika jednopołówkowego oraz porównać je z wartościami zmierzonymi multimetrami cyfrowymi. Wyjaśnić dlaczego wartości te są różne. Narysować oscylogramy zaobserwowanych napięć dla pomiarów wskazanych przez nauczyciela.

L.p	Cx	Rx	Uwy	Uwy osc	Utęt	I0
	µF	Ω	V	Vss	Vss	mA
1.	Bez obciążenia	2,74	9	9	0,003
2.	brak	150	2,61	9	9	17,39
3.		330	2,62	9	9	7,94
4.		1,5k	2,64	9	9	1,76
5.	47	150	8,66	8,5	1	57,67
6.		330	8,68	8,5	0,8	26,31
7.		1,5k	8,72	8,5	0,2	5,82
8.	100	150	8,67	8,5	0,4	57,81
9.		330	8,71	8,5	0,2	26,36
10.		1,5k	8,74	8,5	0,1	5,83

U_wy [V] – napięcie wyjściowe prostownika zmierzone multimetrem cyfrowym;

U_{wy osc} = S_y·A_y [V] – napięcie wyjściowe prostownika zmierzone oscyloskopem;

U_tęt = S_y·A_y [V] – napięcie tętnień zmierzone oscyloskopem;

gdzie: S_y[V/dz] – czułość napięciowa (toru Y) oscyloskopu,

A_y[dz] – liczba zmierzonych działek na ekranie oscyloskopu;

I₀ [mA] – względny uchyb pomiaru częstotliwości.

	Um
		T

Pomiar 1. Bez obciążenia

A_x = 0,2 [ms/dz]

A_{y we} = 10 [V/dz]

A_{y wy} = 5 [V/dz]

U_we = 7 [V_ss]

U_{wy osc} = 9 [V_ss]

U_tęt = 9 [V_ss]

f_tęt = 1 [kHz]

Tp AC/DC – tryb pracy oscyl.

	Um
		T

Pomiar 3. C_x= brak R_x= 330Ω

A_x = 0,2 [ms/dz]

A_{y we} = 10 [V/dz]

A_{y wy} = 5 [V/dz]

U_we = 7 [V_ss]

U_{wy osc} = 9 [V_ss]

U_tęt = 9 [V_ss]

f_tęt = 1 [kHz]

Tp AC/DC – tryb pracy oscyl.

		Um
		T

Pomiar 6. C_x= 47µF R_x= 330Ω

A_x = 0,2 [ms/dz]

A_{y we} = 10 [V/dz]

A_{y wy} = 5 [V/dz]

U_we = 7 [V_ss]

U_{wy osc} = 8,5 [V_ss]

U_tęt = 0,8 [V_ss]

f_tęt = 1 [kHz]

Tp AC/DC – tryb pracy oscyl.

		Um
		T

Pomiar 9. C_x= 100µF R_x= 330Ω

A_x = 0,2 [ms/dz]

A_{y we} = 10 [V/dz]

A_{y wy} = 5 [V/dz]

U_we = 7 [V_ss]

U_{wy osc} = 8,5 [V_ss]

U_tęt = 0,2 [V_ss]

f_tęt = 1 [kHz]

Tp AC/DC – tryb pracy oscyl.

1. Badanie prostownika dwupołówkowego.

4.1 Schemat blokowy układu pomiarowego.

2. Schemat pomiarowy układu

2. Przeprowadzić obserwację i pomiar napięć wejściowych i wyjściowych prostownika dwupołówkowego oraz porównać je z wartościami zmierzonymi multimetrami cyfrowymi. Wyjaśnić dlaczego wartości te są różne. Narysować oscylogramy zaobserwowanych napięć dla pomiarów wskazanych przez nauczyciela.

Cx	Rx	Uwy1	Uwy1 osc	Uwy2	Uwy2 osc	Utęt	I0
µF	Ω	V	Vss	V	Vss	Vss	mA
Bez obciążenia	7	10	4,71	8,5	8,5	0
brak	150	7	10	4,29	8	8	28,66
	330	7	10	4,33	8	8	13,11
	1,5k	7	10	4,4	8	8	2,93
C wygł. 47	150	7	10	7,55	8	0,4	50,36
	330	7	10	7,44	8	0,2	22,53
	1,5k	7	10	7,67	8	0,1	5,11
C filtr. 100	150	7	10	7,52	8	0,4	50,03
	330	7	10	7,61	8	0,3	23,14
	1,5k	7	10	7,67	8	0,1	5,12

	Un
	Um
		T

Pomiar 1. Bez obciążenia

A_x = 0,2 [ms/dz]

A_{y wy1} = 10 [V/dz]

A_{y wy2} = 5 [V/dz]

U_{wy osc1} = 7 [V_ss]

U_{wy osc2} = 8,5 [V_ss]

U_tęt = 8,5 [V_ss]

f_tęt = 1 [kHz]

Tp AC/DC – tryb pracy oscyl.

	Un
	Um
		T

Pomiar 3. C_x= brak R_x= 330Ω

A_x = 0,2 [ms/dz]

A_{y wy1} = 10 [V/dz]

A_{y wy2} = 5 [V/dz]

U_{wy osc1} = 10 [V_ss]

U_{wy osc2} = 8 [V_ss]

U_tęt = 8 [V_ss]

f_tęt = 1 [kHz]

Tp AC/DC – tryb pracy oscyl.

	Un
		Um
		T

Pomiar 6. C_x= 47µF R_x= 330Ω

A_x = 0,2 [ms/dz]

A_{y wy1} = 5 [V/dz]

A_{y wy2} = 5 [V/dz]

U_{wy osc1} = 10 [V_ss]

U_{wy osc2} = 8 [V_ss]

U_tęt = 0,3 [V_ss]

f_tęt = 1 [kHz]

Tp AC/DC – tryb pracy oscyl.

	Un
		Um
		T

Pomiar 9. C_x= 100µF R_x= 330Ω

A_x = 0,2 [ms/dz]

A_{y wy1} = 5 [V/dz]

A_{y wy2} = 5 [V/dz]

U_{wy osc1} = 7 [V_ss]

U_{wy osc2} = 8 [V_ss]

U_tęt = 0,2 [V_ss]

f_tęt = 1 [kHz]

Tp AC/DC – tryb pracy oscyl.

1. Zagadnienia do samodzielnego opracowania.

Poziom podstawowy /P/.

1. Wyjaśnij w oparciu o przeprowadzone badania zasadę działania prostownika jednopołówkowego z uwzględnieniem roli kondensatorów wygładzających oraz rezystancji obciążenia.

2. Wyjaśnij w oparciu o przeprowadzone badania zasadę działania prostownika dwupołówkowego z uwzględnieniem roli kondensatorów wygładzających oraz rezystancji obciążenia.

3. Wykreśl na podstawie przeprowadzonych pomiarów charakterystyki obciążenia obu zbadanych prostowników i wyjaśnij ich przebiegi.

4. Wymień znane rodzaje prostowników i podaj przykłady ich zastosowań.

5. Jakimi kryteriami należy kierować się przy doborze prostowników do zasilania układów i urządzeń elektryczno-elektronicznych.

Poziom ponadpodstawowy /PP/.

1. Na podstawie przeprowadzonych badań uzasadnij potrzebę filtracji tętnień napięć wyjściowych prostowników.

2. Korzystając z literatury technicznej oraz zasobów Internetu przedstaw co najmniej dwa przykłady różnych rozwiązań prostowników z ogólnym wyjaśnieniem ich działania.

3. Uzasadnij drogą analizy matematycznej, dlaczego wartości zmierzone multimetrem cyfrowym i za pomocą oscyloskopu są różne.

Opracował: mgr inż. Sylwester Grabowski

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA 2/V

5.1. 5.2.

• Prostownik jednopołówkowy

Po procesie prostowania pozostają tylko te części przebiegu, które są jednego znaku a części przeciwnego znaku pozostają wyeliminowane. Jest sterowany sygnałem sinusoidalnym. Elementem załączającym prąd jest dioda półprzewodnikowa.

Dioda przewodzi tylko dla dodatnich połówek przebiegu wejściowego, gdyż tylko wówczas napięcie dodatnie na jej anodzie jest większe niż potencjał katody. Dioda przewodzi wtedy, gdy napięcie większe niż potencjał katody. Dioda przewodzi wtedy, gdy napięcie wejściowe U_we > napięcia przewodzenia pojedynczej diody krzemowej (U_F = 0,7V).Gdy napięcie U_we < U_F, wtedy dioda nie przewodzi a napięcie wyjściowe jest równe zero.

Zależnie od wartości pojemności kondensatora zmianie ulegają: częstotliwość i amplituda tętnień na wyjściu.

• Prostownik dwupołówkowy

Mostek złożony jest z diod D₁, D₂, D₃, D₄.Dla dodatniej połówki sinusoidy sygnału wejściowego przewodzą diody D₁ i D₃ (diody D₂ i D₄ są spolaryzowane zaporowo i nie przewodzą), a więc

popłynie przez diodę D₁ do rezystancji obciążenia R_L i dalej poprzez diodę D₃ do źródła napięcia wejściowego U_we.

Następnie dla połówki ujemnej przewodzą diody D₂ i D₄ (diody D₁ i D₃ są spolaryzowane zaporowo i nie przewodzą), a więc prąd popłynie poprzez diodę D₂ do rezystancji obciążenia R_L (zachowując ten sam kierunek przepływu prądu przez obciążenie jak dla połówki dodatniej), a następnie poprzez diodę D₄ z powrotem do naięcia zasilania U_we.

W obu częściach okresu kierunek przepływu prądu w rezystancji obciążenia jest taki sam, a więc prostowanie jest dwupołówkowe. W efekcie na wyjściu układu otrzymamy napięcie wyprostowane dwupołówkowo. Poziome odcinki pomiędzy połówkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach. Warto zauważyć, że w układzie mostkowym dla obu kierunków sygnału wejściowego, z wejściem są połączone szeregowo dwie diody (D₁ z D₃ lub D₂ z D₄). Dlatego, aby w obwodzie prąd zaczął płynąć przez obciążenie R_L napięcie U_we musi być większe od podwojonego napięcia przewodzenia pojedynczej diody krzemowej (Ug>2×0,7V). Warto o tym pamiętać szczególnie przy projektowaniu zasilaczy.

• Filtr

Prostownik jednopołówkowy, czy też dwupołówkowy, w takich nie mają w zasadzie praktycznego zastosowania gdyż pulsujące (tętniące) napięcie otrzymywane na wyjściu nie zmienia wprawdzie polaryzacji lecz charakteryzuje się bardzo dużymi zmianami wartości chwilowej –zmiany te są nazywane tętnieniami.

Tętnienia napięcia wyjściowego mają dużą amplitudę, która stanowi miarę odchylenia chwilowej wartości napięcia od wartości średniej (składowej stałej).

Do tłumienia tętnień napięcia wyprostowanego stosuje się filtry dolnoprzepustowe. Filtry takie powinny przepuszczać składową stałą jednocześnie tłumiąc składową zmienną, czyli tętnienia. Prostym filtrem dolnoprzepustowym jest kondensator elektrolityczny połączony równolegle z układem prostownika.

Filtrowanie polega na tym, że kondensator ładuje się w czasie, gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze, a rozładowuje się w czasie, gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze. Szybkość rozładowywania zależy od stałej czasowej RLC.

Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak, aby czas jaki upływa między następującymi po sobie doładowaniami kondensatora był znacznie mniejszy od stałej czasowej obwodu rozładowania.

• Podsumowanie

Aby zmniejszyć tętnienia (co jest priorytetem prostowników), należy zwiększyć opór lub pojemność kondensatora. Prostownik dwupołówkowy lepiej stosować niż jednopołówkowy do uzyskania mniejszych tętnień.

5.3.

• Prostownik jednopołówkowy

• Prostownik dwupołówkowy

• Podsumowanie

1. W obu przypadkach napięcie tętniące równa się napięciu wyjściowemu do momentu, gdy nie ma w układzie kondensatora. Po jego dołączeniu tętnienia oscylują koło zera Voltów, czyli zanikają.

2. Napięcia wyjściowe w V rośnie dopiero gdy w obwodzie znajduje się kondensator, więc rezystancja nie ma większego znaczenia w kształcie przebiegu tylko kondensator.

3. Napięcia wejściowe i wyjściowe w V_SS są wartością prawie stałą.

4. Prądy są uzależnione od rezystancji, im R mniejsze to I₀ rośnie więc kształt przebiegu zależy od niego i czy jest podłączony kondensator, jednak wartość C nie ma znaczenia na kształt.

5. Przy podobnych napięciach mniejsze prądy zużywa prostownik dwupołówkowy, przez to ma mniejsze straty energetyczne.

5.4.

1. Prostownik jednopołówkowy

1. Prostownik dwupołówkowy z dwoma uzwojeniami wtórnymi transformatora

1. Prostownik dwupołówkowy mostkowy

1. Prostownik trójfazowy jednopołówkowy

1. Prostownik trójfazowy mostkowy

• Pozostałe rodzaje:

1. Prostowniki wielofazowe

2. Prostowniki sterowane

3. Prostowniki lampowe

4. Prostowniki specjalne (powielacze napięcia)

• Zastosowanie

Prostownik stosuje się przede wszystkim w odniesieniu do układów przekształcających prąd zmienny w prąd stały. Są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń (np. w lokomotywach elektrycznych), w galwanotechnice oraz w większości urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej lub jakimkolwiek napięciem przemiennym (np. układy elektryczne samochodów). Prostownikiem jest również detektor diodowy wykorzystywany do detekcji sygnału radiowego zmodulowanego AM lub FM.

Nazwa prostownik jest używana również w języku potocznym jako określenie ładowarki akumulatorów samochodowych. (Technicznie nie jest to jednak określenie poprawne, ponieważ ładowarki takie składają się z: transformatora, prostownika właściwego, układu regulującego, itd.)

5.5.

Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostowników są;

• maksymalny prąd przewodzenia - istnieje zasada, że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 1,5x większy od zakładanego obciążenia;

• maksymalne napięcie wsteczne - powinno być przynajmniej 1,7x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtórnej.

• występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku, co powoduje, że wyjściu układu jest nieco niższy potencjał niż na wejściu, spowodowane występowaniem spadku napięcia na diodzie przy polaryzacji w kierunku przewodzenia.

Parametry popularnych mostków prostowniczych.

• VRRM– maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne

• VRMS – maksymalne skuteczne napięcie wejściowe

• VDC– maksymalne stałe napięcie wsteczne

• I(AV) – maksymalny średni prąd przewodzenia

• VF – napięcie przewodzenia

Symbol	VRRM[V]	VRMS [V]	VDC[V]	I(AV) [A]	VF [V]	Obudowa
DB107	1000	700	1000	1	1,1	DIL-4
2KBP01	100	-	-	2	1	D-44
2KBP10	1000	-	-	2	1	D-44
KBPC110	1000	-	-	3	1,1	D-46
KBPC610	1000	-	-	6	1,2	D-46

5.6.

Potrzeba filtrować tętnienia, ponieważ istnieją urządzenia o szczególnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłócenia w napięciu zasilającym. np.

• w układach akustycznych (wzmacniacze akustyczne);

• w układach pomiarowych (różnego rodzaju mierniki);

• w mikroprocesorach i mikrokontrolerach.

5.7.

Obecnie prostowniki są budowane niemal wyłącznie z diod krzemowych, niemniej jednak stosuje się (lub stosowano) również następujące rozwiązania:

• układy elektrochemiczne, w których na jednej z elektrod zanurzonych w elektrolicie wytwarzała się warstwa zaporowa, blokująca przepływ prądu w jednym kierunku (przykładowy układ ołów-elektrolit alkaliczny-glin, niob lub tantal)

• prostownicze diody próżniowe (bądź gazowane), popularnie zwane lampami, w których przy spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia elektrony emitowane przez podgrzewaną elektrycznie katodę przemieszczają się do spolaryzowanej dodatnio anody, a w przypadku odwrócenia polaryzacji blokują przepływ prądu (obecnie bardzo rzadko stosowany z uwagi na kłopoty z doprowadzeniem żarzenia)

• układy metal-półprzewodnik stosowane powszechnie przed opracowaniem technologii diod półprzewodnikowych. Stosowane najczęściej zestawy to prostownik kuprytowy (miedź-tlenek miedzi) oraz prostownik selenowy (metal-selen)

• prostowniki rtęciowe:

  • ignitrony - prostowniki rtęciowe, wykonane jako lampy gazowane składające się z anody, ciekłej katody rtęciowej oraz elektrody zapłonowej (ignitora) służącej do wzniecania wyładowania. Stosowane były powszechnie w przemyśle oraz w kolejowych i tramwajowych układach trakcyjnych. Ich najpoważniejszą wadą, która przyczyniła się do ich likwidacji, była ciągła emisja niewielkich ilości par rtęci do środowiska poprzez pompy próżniowe. Ponieważ na podstacjach wyposażonych w prostowniki rtęciowe konieczna była 24 godzinna obsługa, warunki pracy były dla ludzi bardzo niekorzystne.

  • ekscitrony (ekscytrony) - gazowane lampy prostownicze składające się z katody rtęciowej, dwóch anod: głównej i pomocniczej oraz mechanicznego urządzenia do wzniecania wyładowania elektrycznego. Anoda pomocnicza służy do podtrzymywania wyładowania, gdy w obwodzie anody głównej nie ma przepływu prądu. Ekscitrony stosowane są w urządzeniach bardzo wielkiej mocy np. elektrolizerach hutniczych.

  • senditrony - lampy prostownicze różniące się od ignitronów oraz ekscitronów posiadaniem rtęciowej anody. Używane do końca lat 60. XX w., kiedy to zostały wyparte przez tyrystory.

Źródła :

1. „Zasilacze urządzeń elektronicznych. Przewodnik dla początkujących.” Joseph J. Carr, wydawnictwo BTC, Warszawa 2004 r.

2. „1000 słów o radiu i elektronice” Zenon Mendygrał Wyd. MON, Wydanie IV rozszerzone, Warszawa 1985

3. http://www.im.mif.pg.gda.pl/download/materialy_dydaktyczne/elektrotechnika_elektronika/15_podstawowe_uklady_elektroniczne.pdf

4. http://www.if.p.lodz.pl/download/files/elektro/Z.pdf

5. http://www.knws.uz.zgora.pl/history/pdf/knws_05_greczko_e.pdf

6. http://layer.uci.agh.edu.pl/maglay/wrona/pl/podstrony/spintronix/Prezentacje/Zasilacze_i_stabilizatory_liniowe.pdf

Sprawozdanie wykonane pod kierunkiem : mgr inż. Sylwestra Grabowskiego