Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Elblągu IIS

Instytut Politechniczny

Laboratorium Elektroniki

Ćwiczenie nr 2

Filtry prostownikowe RL i RC

1. Wstęp

Przebiegi wyprostowane w postaci półfal sinusoidy na niewiele się zdają. Są one stałoprądowe jedynie w tym sensie, że nie zmienia się ich polaryzacja. Lecz nadal mają dużą zawartość tętnień (okresowych zmian napięcia wokół wartości średniej), które trzeba wygładzić, aby otrzymać prawdziwe napięcie stałe. Robi się to przez dołączenie filtru dolnoprzepustowego (rys. 1).

Rysunek 1.

W rzeczywistości rezystor szeregowy nie jest konieczny i zawsze się go pomija (chociaż czasami można spotkać w tym miejscu rezystor o bardzo małej wartości rezystancji, używany do ograniczenia szczytowej wartości prądu prostownika). Usunięcie rezystora jest dopuszczalne, gdyż diody uniemożliwiają wypływanie prądy z kondensatorów, które w rzeczywistości służą bardziej jako elementy gromadzące energię, niż jako część klasycznego filtru dolnoprzepustowego.

2. Filtr RL

Obciążenie rezystancyjno-indukcyjne występuje wtedy, gdy R_d
0 i L_d
0. Sytuację taka obrazuje rysunek 2.

Rysunek 2

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

którego rozwiązaniem jest wyrażenie określające wartość chwilową prądu wyprostowanego:

gdzie

i odpowiednio prądy

W odróżnieniu od przypadku, gdy obciążeniem jest czysta rezystancja, prąd nie przestaje płynąć
w chwili, gdy napięcie źródła jest równe zeru, lecz jest „przeciągany” poza tę chwilę. Fizyczną przyczyną tego „przeciągania” jest samoindukcja, która powoduje w obwodzie pojawienie się dodatkowej siły elektromotorycznej przy zmniejszaniu się wartości prądu w indukcyjności cewki. W ten sposób energia zmagazynowana w polu magnetycznym cewki jest częściowo zwrócona do obwodu zasilania, a częściowo rozpraszana w rezystorze.

Zjawisko przeciągania prądu poza przedział dodatnich chwilowych wartości napięcia zasilania istnieje nawet wtedy, gdy obciążenie jest czysto rezystancyjne. Związane to jest z faktem, że w przypadku zasilania układu z transformatora, w obwodzie zawsze występuje reakcja rozproszenia jego uzwojeń, związana ze strumieniem rozproszenia.

3. Filtr RC

Obciążenie rezystancyjno-pojemnościowe występuje wtedy, gdy R_d
0 i C_d
0. Sytuację taka obrazuje rysunek 3.

W układzie prostownika włączono kondensator C_d w celu obniżenia tętnień prądu wyprostowanego.
W czasie pierwszego półokresu przewodzenia przez element prostujący płynie prąd obciążenia i prąd ładowania kondensatora. Kondensator zostaje naładowany do napięcia szczytowego. W czasie drugiego półokresu, gdy element prostujący nie przewodzi, kondensator rozładowuje się przez impedancję odbiornika. Sytuacja powtarza się przez następne okresu napięcia.

Wahania napięcia na odbiorniku będą tym mniejsze im stała czasowa układu RC będzie większa. Filtracja jest, więc tym lepsza, im większa będzie pojemność kondensatora.

Wadami takiego układu są duże spadki napięcia na włączonych szeregowo rezystorach oraz duże prądy przepływające przez diody prostownicze.

Zaletami są natomiast taniość i małe wymiary zastosowanych elementów.

Rysunek 3.

Na rysunku 4 przedstawiono układy pozostałych filtrów stosowanych w urządzeniach zasilających:
a) filtr o wejściu dławikowym; c), d) filtr typu Π.

Rysunek 4.

4. Cel i przebieg ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z podstawowymi filtrami prostownikowymi RL i RC.

Zakres ćwiczenia obejmuje:

• dobór wartości źródła zasilania, rodzaju i zakresu przyrządów pomiarowych

• połączenie obwodów według podanego schematu

• wykonanie pomiarów napięć, obserwacji przebiegów napięć na oscyloskopie

• opracowanie sprawozdania i wniosków z ćwiczenia

5. Przygotowanie do ćwiczenia

Na podstawie danych katalogowych elementów elektronicznych należy określić napięcie zasilania, wartość prądu zasilania. Narysować schematy obwodów oraz podać wartości źródeł zasilania, zakresy przyrządów pomiarowych i obciążenia. Narysować tablice pomiarowe dla obydwu układów filtrów.

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. 2. Ustalić parametry obciążenia obwodu, dobrać według nich zakresy pomiarowe przyrządów. Sprawdzić połączony układ i uzyskać zgodę prowadzącego na włączenie układu do sieci. Wykonać pomiary napięć
i prądów w obwodzie dla różnych wartości rezystancji obciążenia. Dokonać korekt zakresów przyrządów tak, aby ich wskazania były większe od 2/3 zakresu pomiarowego. Włączyć oscyloskop i dokonać odpowiednich nastawień jego zakresów. Do wybranych węzłów obwodu przyłączyć sondy oscyloskopu dwukanałowego. Zmierzyć amplitudy napięć pomiędzy wybranymi punktami. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1.

Następnie zmienić rodzaj filtru i powtórzyć procedurę pomiarową (rysunek 3 i 4). Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 2.

Pod dokonaniu pomiarów policzyć wartości prądu i napięcia średniego dla wskazanych przez tabelę 1
i 2 punktów pomiarowych. Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić odpowiednio w tabeli 1 i2.

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

Z uwagi na występującą dużą wartość pojemności należy zwrócić szczególną uwagę na możliwość porażenia w wyniku dotknięcia nie rozładowanego kondensatora.

Lp.	R1	L1	I1	U1	UOsc	I1śr	U1śr	R1
		[Ω]	[mH]	[A]	[V]	[V]	[A]	[V]	[Ω]
1
2
3
4
5

Tabela 1.

Lp.

Typ filtru

R1

L1

C1

C2

I1

U1

UOsc

R1

I1śr

U1śr

[Ω]

[mH]

[μF]

[μF]

[A]

[V]

[V]

[Ω]

[A]

[V]

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tabela 2.

7. Zakres sprawozdania

Sprawozdanie powinno zawierać:

• schematy obwodów wykonane jako przygotowanie do ćwiczeń

• wykaz i dane znamionowe elementów i przyrządów użytych w ćwiczeniu

• tablice wyników pomiarów, obserwacji i obliczeń oraz wykresy

• porównanie zmierzonych parametrów i parametrami obliczonymi oraz dyskusja nad nimi

• spostrzeżenia i wnioski wynikające z ćwiczenia

8. Pytania kontrolne

1. Cel i sens stosowania filtrów RC i RL w układach prostowników?

2. Narysować schemat filtru RL lub RC?

3. Wady i zalety filtrów RC i RL?

4. Narysować na przebiegu sinusoidalnie przemiennym okres przebiegu, wartość maksymalną, średnią i skuteczną.

9. Literatura

1. Poradnik inżyniera elektryka, tom 1 i 2, WNT Warszawa

2. Bolkowski S.: Teoria obwodów elektrycznych, WNT Warszawa

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

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

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

10. Wykaz elementów i przyrządów możliwych do użycia w ćwiczeniu

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

2. Cewka indukcyjna.......................................................................................................

3. Kondensator...............................................................................................................

4. Amperomierz...............................................................................................................

5. Woltomierz..................................................................................................................

6. Oscyloskop..................................................................................................................

4

---