Politechnika Częstochowska

Wydział Elektryczny

Katedra Elektrotechniki

Zakład Elektrotechniki

Laboratorium Elektrotechniki Teoretycznej

Badanie prostowników

Częstochowa 2004

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi rodzajami prostowników i sposobami wygładzania napięcia wyjściowego.

2. Wiadomości podstawowe

2.1. Dioda półprzewodnikowa

Prostownik - urządzenie elektryczne przetwarzające prąd przemienny (dwukierunkowy) na jednokierunkowy. W prostownikach stosuje się zwykle diody półprzewodnikowe. Są to elementy mające dwie końcówki - anodę i katodę. Gdy potencjał anody jest wyższy od potencjału katody, dioda znajduje się w stanie przewodzenia - jej rezystancja jest niewielka. W przeciwnym razie dioda znajduje się w stanie zaporowym - jej rezystancja jest bardzo duża.

Rzeczywista dioda ma charakterystykę prądowo-napięciową pokazaną na rysunku 1a. W praktyce często przyjmuje się, że w stanie przewodzenia spadek na diodzie jest stały i wynosi około 0,7 V dla diody krzemowej i około 0,3 V dla diody germanowej (charakterystyka na rysunku 1b). Często również spadki napięć na diodach pomija się całkowicie, przyjmując, że stanowi ona idealny element prostowniczny (rys. 1c).

a)	b)	c)	d)

Rys. 1. Symbol diody (a) oraz charakterystyki prądowo-napięciowe wybranych modeli diod:
b) dioda rzeczywista, c) dioda uproszczona, d) dioda idealna

2.2. Prostownik jednopołówkowy (1D)

Rozpatrzmy pracę układu z rysunku 2 po zasileniu go napięciem sinusoidalnie zmiennym. Jeśli w danej chwili potencjał anody jest wyższy od potencjału katody (co zachodzi dla dodatnich połówek sinusoidy), to dioda przewodzi. Jeśli natomiast potencjał anody jest niższy od potencjału katody (ujemne połówki sinusoidy), to dioda nie przewodzi (i ≈ 0).

a)	b)

Rys. 2. Prostownik jednopołówkowy (a) i przebiegi napięć (b)

Wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi

2.3. Prostownik dwupołówkowy w układzie Graetza (4D)

Jednym z prostowników dwupołówkowych jest tzw. mostek Grateza (rys. 3a). Gdy potencjał węzła A jest wyższy od potencjału punktu B, diody D₁ i D₄ przewodzą, a diody D₂ i D₃ znajdują się w stanie zaporowym. Ma to miejsce jeśli napięcie wejściowe jest większe od zera (dla dodatnich połówek sinusoidy). Jeśli napięcie wejściowe jest mniejsze od zera (ujemne połówki), potencjał punktu A jest niższy od potencjału punktu B i diody D₁ i D₄ znajdują się w stanie zaporowym,
a diody D₂ i D₃ - w stanie przewodzenia. W tej sytuacji kierunek prądu płynącego przez rezystor nie ulega zmianie, a więc ujemne połówki zostają „przerzucone do góry” (rys. 3b).

Wartość średnia napięcia wyprostowanego wynosi

a)	b)

Rys. 3. Mostek Graetza (a) i przebiegi napięć (b)

2.4. Prostownik 6D

Do prostowania napięcia trójfazowego wykorzystuje się tzw. układ 6D (rys. 4a). Działa on na zasadzie podobnej do zasady działania mostka Graetza. Przypuśćmy, że początkowo węzeł A ma najwyższy potencjał, a węzeł B - najniższy (rys. 4b, pogrubione linie na górnym wykresie). Wtedy przewodzą diody D₁ i D₄, a pozostałe diody znajdują się w stanie zaporowym, a więc napięcie u_R jest równe u_AB (pomijając spadki napięć na diodach). Stan taki trwa 1/6 okresu T sinusoidalnego napięcia trójfazowego. Po tym czasie potencjał węzła C staje się niższy od potencjału węzła B (potencjał A nadal jest najwyższy) i rolę diody D₄ przejmuje dioda D₆ (przewodzą D₁ i D₆). Wtedy napięcie u_R = u_AC = –u_CA. Po dalszym czasie T/6 potencjał węzła B staje się najwyższy i rolę diody D₁ przejmuje dioda D₃ (przewodzą D₃ i D₆), a napięcie u_R = u_BC. Następnie potencjał punktu A staje się najniższy (przewodzą diody D₃ i D₂, u_R = u_BA = –u_AB), potem potencjał punktu C staje się najwyższy (przewodzą diody D₅ i D₂, u_R = u_CA) i wreszcie potencjał punktu B staje się najniższy (przewodzą diody D₅ i D₄, u_R = u_CB = –u_BC). Po tym czasie cykl pracy prostownika powtarza się.

Jeśli U_m jest wartością maksymalną napięcia międzyfazowego, to

a)	b)

Rys. 4. Układ 6D (a) i przebiegi napięć (b)

2.5. Wygładzanie napięcia wyprostowanego

W celu polepszenia jakości napięcia lub prądu wyprostowanego na wyjście prostownika podłącza się zwykle filtr dolnoprzepustowy (rys. 5). Najprostszym z nich jest kondensator. Gdy do wyjścia prostownika podłączymy kondensator, to podczas narastania napięcia wyjściowego kondensator jest ładowany i napięcie wyjściowe pozostaje niezmienione w stosunku do napięcia w układzie bez kondensatora. Jednak podczas malenia napięcia wyjściowego kondensator rozładowuje się, częściowo podtrzymując napięcie. Im większa pojemność, tym wolniej następuje rozładowanie i tym gładszy przebieg napięcia wyprostowanego. Przebiegi napięcia wyprostowanego w układach 1D i 4D z kondensatorem przedstawiono na rysunku 6.

Z matematycznego punktu widzenia wygładzające działanie kondensatora tłumaczy się jego zdolnością do usuwania z napięcia wysokich harmonicznych. Pozostałe (niższe) harmoniczne dają w efekcie „mniej pulsacyjny” przebieg.	Rys. 5. Kondensator jako filtr dolnoprzepustowy

a)	b)

Rys. 6. Przebiegi napięć wygładzonych za pomocą kondensatora: a) prostownik 1D, b) prostownik 4D

3. Przebieg ćwiczenia

3.1. Badanie prostownika jednopołówkowego (1D)

• Zestawić układ wg schematu z rysunku 7

Rys. 7.

• Zanotować parametry (tabela 1),

• Na zaciski wejściowe załączyć napięcie sinusoidalnie zmienne o wartości skutecznej 6,3 V,

• Na zaciski wejściowe podłączyć kanał A oscyloskopu, a na zaciski wyjściowe podłączyć kanał B oscyloskopu (w razie braku oscyloskopu dwukanałowego podłączyć oscyloskop do wejścia tylko na początku, a potem podczas pomiarów przyłączyć go do wyjścia),

• Wyregulować podstawę czasu i zakresy kanałów oscyloskopu,

• Przerysować obraz z oscyloskopu i zanotować wskazanie woltomierza (tabela 2),

• Podłączając kolejno kondensatory C₁, C₂, C₃, notować wskazanie woltomierza i szkicować obraz oscyloskopu.

Tabela 1

R1	R2	C1	C2	C3

Tabela 2

Układ	Pomiary	Obliczenia
	Uwy, V	Uwy, V
	bez kond.	kond. C1
1D
4D
6D

3.2. Badanie prostownika dwupołowkowego w układzie Graetza (4D)

• Zestawić układ wg schematu z rysunku 8

Rys. 8.

• Pomiary przeprowadzać jak w poprzednim punkcie, z tym, że oscyloskop podłączyć na wejście tylko na początku pomiarów, a po przerysowaniu przebiegu napięcia wejściowego przełączyć go na wyjście.

3.3. Badanie prostownika 6D

• Zestawić układ wg schematu z rysunku 9 (UWAGA: nie podłączać zacisków wejściowych prostownika do zacisków trójfazowych wyprowadzonych na panel stołu, lecz do transformatora trójfazowego obniżającego napięcie do kilkunastu woltów, np. 24 V).

Rys. 9.

• Pomiary przeprowadzać jak w poprzednim punkcie.

4. Opracowanie sprawozdania

1. Cel ćwiczenia.

2. Schematy pomiarowe i tabele wyników.

3. Parametry i dane znamionowe zastosowanych przyrządów.

4. Wykonać obliczenia wartości średniej napięcia na zaciskach wyjściowych każdego z badanych prostowników dla przypadku bez kondensatora; uwzględnić przy tym spadki napięć na diodach (U_m′ = U_m – nU_d, gdzie n - liczba przewodzących diod, U_d = 0,7 V lub 0,3 V, zależnie od rodzaju zastosowanych diod), oraz istnienie rezystora zabezpieczającego R₁ (wartość maksymalna napięcia na rezystorze R₂ wynosi U_m2 = U_m′⋅R₂/(R₁+R₂)); zastosować wzory podane w instrukcji podstawiając w nich U_m2 zamiast U_m. Otrzymane wyniki porównać ze zmierzonymi.

5. Zamieścić przebiegi czasowe napięcia wejściowego i wyprostowanego dla każdego badanego przypadku.

6. Wnioski.

5. Pytania sprawdzające

1. Co to jest prostownik?

2. Omówić działanie prostownika jednopołówkowego.

3. Omówić działanie prostownika dwupołówkowego w układzie Graetza.

4. Omówić działanie prostownika 6D.

5. Narysować przebiegi napięcia wyprostowanego w rozpatrywanych układach zasilanych napięciem sinusoidalnie zmiennym.

6. Omówić rolę kondensatora podłączonego do wyjścia prostownika.

7. Narysować przebiegi napięcia wyprostowanego bez kondensatora i z kondensatorami o coraz większej pojemności podłączonymi do wyjścia rozpatrywanych prostowników.

8. Jak wpływa na prąd wyprostowany cewka podłączona szeregowo do wyjścia prostownika?

9. Wyprowadzić wzory na średnią wartość napięcia wyprostowanego w rozpatrywanych prostownikach bez kondensatora.

Literatura

[1] Bolkowski S.: Elektrotechnika teoretyczna, tom I - teoria obwodów elektrycznych, WNT,
W-wa 1986, ss. 523-530.

[2] Cholewicki T.: Elektrotechnika teoretyczna, tom II, WNT, W-wa 1970, ss. 125-136.

[3] Krakowski M.: Elektrotechnika teoretyczna, tom I - obwody liniowe i nieliniowe, PWN, W-wa 1991, ss. 642-650.