POLITECHNIKA LUBELSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Laboratorium elektrotechniki i elektroniki

Temat ćwiczenia nr 9

Badanie diody i układów prostowniczych

1. Część teoretyczna

1.1. Charakterystyka diody prostowniczej

Dioda jest elementem elektronicznym zbudowanym z dwóch warstw półprzewodników domieszkowanych o różnym typie przewodnictwa, półprzewodnika typu p (przewodnictwo dziurowe) i półprzewodnika typu n (przewodnictwo elektronowe). Gdy biegun dodatni źródła energii elektrycznej połączony zostanie z warstwą p, a ujemny z warstwą n, wówczas obniży się bariera potencjału występująca na złączu dwóch warstw, co umożliwi dyfuzję elektronów z obszaru n do obszaru p. Taki sposób połączenia nazywa się polaryzacją w kierunku przewodzenia. Jeżeli zmieni się biegunowość obszarów n i p to dioda przejdzie w stan zaporowy i praktycznie nie będzie przewodziła prądu. Diody znalazły szczególne zastosowanie w układach prostowniczych służących do zmiany prądu przemiennego w prąd jednokierunkowy.

Prostownik jest to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe. Prostowniki są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń, w galwanotechnice oraz w większości urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej lub jakimkolwiek napięciem przemiennym (np. układy elektryczne samochodów zasilane z alternatora). 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 zbudowane są z transformatora, prostownika właściwego (często sterowanego), układu regulującego, itd.

Rys.1.1. Symbol prostownika mostkowego (po lewej) i prostownika (po prawej) używane w schematach blokowych

Rys. 1.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej

1.2. Prostowniki jednofazowe

Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda prostownicza połączona szeregowo ze źródłem energii i odbiornikiem. Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko stosowany z uwagi na występowanie dużego tętnienia napięcia wyjściowego. Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu, podczas drugiej połowy okresu napięcie jest blokowane i prąd w układzie nie płynie. Wprowadza to niesymetrię obciążenia układu prądu przemiennego, co jest niekorzystne dla sieci prądu przemiennego. Z powyższych powodów rozwiązanie to stosowane jest tylko w układach niewielkiej mocy np. w zasilaczach impulsowych.

Rys. 1.3. Schemat prostownika jednopołówkowego i przebieg napięcia

Prostowniki dwupołówkowe umożliwiają wykorzystanie mocy źródła napięcia przemiennego przez cały okres. Napięcie wyjściowe takiego prostownika charakteryzuje się mniejszymi tętnieniami niż w przypadku prostowników jednopołówkowych, jednak układ elektryczny jest nieznacznie bardziej skomplikowany. Układ mostkowy, tzw. mostek Graetza, wykorzystuje cztery diody prostownicze i pozwala na prostowanie napięcia z dowolnego źródła prądu przemiennego.

Istnieje również konstrukcja oparta na dwóch diodach, jednak wymaga ona specjalnego zasilania, uzwojenie wtórne transformatora musi być podzielone na dwie jednakowe części. Obecnie układy takie stosuje się niezwykle rzadko, ponieważ koszt dzielonego uzwojenia jest znacznie większy niż koszt diod użytych w układzie mostkowym. Jednym z najczęściej stosowanych prostowników jednofazowych jest mostek Graetza. Proces prostowania napięcia przebiega w dwóch etapach. W pierwszej połówce okresu przewodzą tylko dwie diody, pozostałe dwie są spolaryzowane zaporowo). W drugiej połówce okresu sytuacja ulega odwróceniu i przewodzą dwie diody z drugiej grupy. Napięcie wejściowe jest napięciem przemiennym czyli zmienia swój kierunek, natomiast układ mostka jest tak skonstruowany, że napięcie wyjściowe jest jednokierunkowe, prąd popłynie tylko w kierunku dodatnim. Pomimo faktu, że napięcie wyjściowe prostownika jest jednokierukowe to jednak nie jest ono napięciem stałym i wykazuje znaczne tętnienie, dlatego też prostowniki najczęściej stosuje się z odpowiednimi filtrami dolnoprzepustowymi wygładzającymi przebieg.

Rys. 1.4. Schemat prostownika dwupołówkowego i przebieg napięcia (układ Graetza)

1.3. Prostowniki trójfazowe

Prostowniki trójfazowe wykorzystuje się tam, gdzie dostępne jest trójfazowe zasilanie. Generalnie charakteryzują się one znacznie mniejszym tętnieniem napięcia wyjściowego niż prostowniki jednofazowe. Trójfazowy prostownik jednopołówkowy może działać tylko w układzie trójfazowym z przewodem neutralnym. Oznacza to, że układ źródeł napięcia (lub uzwojeń wtórnych transformatora) musi być połączony w gwiazdę (połączenie w trójkąt nie ma przewodu neutralnego). Rozróżnia się układ prostownika trójfazowego jednopołówkowego z gwiazdą katodową lub gwiazdą anodową. Trójfazowy prostownik dwupołówkowy może być stosowany w dowolnym układzie napięcia trójfazowego, zarówno z przewodem neutralnym jak i bez niego. Napięcie wyjściowe wykazuje bardzo małe tętnienie (w porównaniu do prostowników opisanych powyżej).

Energia źródeł zasilania jest wykorzystywana w największym zakresie, co jest szczególnie istotne w przypadku urządzeń dużej mocy, jak np. spawarki transformatorowe. Często prostowniki w tego typu urządzeniach posiadają możliwość sterowania wartością prądu wyjściowego.

Rys. 1.5. Schemat prostownika jednopołówkowego i przebieg napięcia

Rys. 1.6. Schemat prostownika dwupołówkowego i przebieg napięcia

1.3. Prostowniki wielofazowe

Układy wielofazowe stosowane są w impulsowych konwerterach napięcia stałego na napięcie stałe o innej i stabilizowanej wartości, układy generują wielofazowy prąd przemienny (od 2 do 5), który jest prostowany. Dla prostowników wielofazowych stosuje się analogiczny układ, w którym liczba gałęzi równa jest odpowiedniej liczbie faz napięcia.

Wszystkie prostowniki opisane powyżej mogą być używane również w postaci prostowników sterowanych. W prostownikach takich diody zastępuje się tyrystorami, które sterowane są za pomocą odpowiednich układów analogowych lub cyfrowych. Prostowniki sterowane są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna regulacja mocy wyjściowej urządzenia, takie rozwiązanie jest powszechnie stosowane np. w spawarkach transformatorowych lub automatycznych ładowarkach akumulatorów samochodowych.

2. Część praktyczna

2.1. Badanie wstępne diody prostowniczej

Diodę należy zbadać za pomocą multimetru elektronicznego wykorzystując funkcję pomiaru spadku napięcia na elemencie półprzewodnikowym. Pomiar należy wykonać polaryzując diodę w dwóch kierunkach (przewodzenia i zaporowym) oraz określić jej stan techniczny. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 2.1.

Tabela 2.1

Typ, rodzaj diody	ΔU [mV]	ΔU [mV]	Stan diody (rodzaj uszkodzenia)
		kierunek przewodzenia		kierunek zaporowy

2.2. Badanie jednofazowego dwupołówkowego (pełnookresowego) układu prostowniczego (mostek Graetza)

Należy połączyć obwód elektryczny według schematu z rysunku 2.1. Jako V₁, A₁ i V_S zastosować mierniki do pomiaru wielkości zmiennych (mierzące wartości skuteczne). Jako V_O i A_O zastosować mierniki do pomiaru wielkości stałych (mierzące wartości średnie). Pomiary wykonać dla jednej wartości napięcia zasilającego U₁ zmieniając obciążenie prostownika rezystorem R. Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli 2.2. Obliczyć odpowiednie wielkości fizyczne. Wykreślić charakterystyki U_O=f(I_O) oraz k_T=f(I_O).

Rys.2.1. Schemat obwodu do badania prostownika jednofazowego dwupołówkowego

Tabela 2.2

Wielkości zmierzone							Wielkości obliczone
U1 [V]	I1 [A]	P1 [W]	UO [V]	IO [A]	PO [W]	US [V]	UO/U1	IO/I1	η [%]	UT [V]	kT

- sprawność prostownika

- napięcie tętnień

- współczynnik tętnień

2.3. Analiza pracy urządzenia działającego z wykorzystaniem diody prostowniczej

Należy przeanalizować i opisać budowę, działanie i zastosowanie urządzenia działającego z wykorzystaniem diody prostowniczej.

3. Zagadnienia obowiązujące studentów wykonujących ćwiczenie

1. Program ćwiczenia

2. Budowa, zasada działania i właściwości diody prostowniczej

3. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej

4. Wielkości charakteryzujące diodę

5. Rodzaje prostowników (schematy przebiegi napięć)

6. Wielkości charakteryzujące prostowniki

4. Literatura

1. Laboratorium z elektroniki. Opracowanie zbiorowe pod redakcją Wiktora Pietrzyka. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej. Lublin 2002.

2. Opydo W., Kulesza K., Twardosz G.: Urządzenia elektryczne i elektroniczne - przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań 2005.

3. Oset A., Śliwińska D.: Laboratorium elektrotechniki i elektroniki dla wydziału mechanicznego. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej. Kielce 1999.

4. Strona internetowa www.edw.com.pl

6

---