LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI
Wykonali : Dominika Szejok Agnieszka Szpak Anna Szpineta Jacek Tabaszewski		II rok I. Ś.		grupa lab. 6
Temat ćwiczenia : Prostowniki
Nr ćwiczenia : 5	Data wykonania :94-12-20		Data oddania :95-01-17

W ćwiczeniu badaliśmy zachowanie się prądu przy przejściu przez diody prostownicze i kondensatory.

Diody są elementami nieliniowymi. Charakteryzują się dobrym przewo-dzeniem prądu w jednym kierunku, w tzw. kierunku przewodzenia, natomiast w drugim kierunku (zaporowym) dioda stawia bardzo duży opór. Charakterystyka prądowo napięciowa wygląda tak :

Często przyjmuje się rezystancję zaporową równą nieskończoność, czyli, że w diodzie nie płynie prąd wsteczny. Jest to uzasadnione, gdyż prąd ten jest niewielki w porównaniu z prądem w kierunku zaporowym. Wykres znajdujący się w trzeciej ćwiartce opuszcza się.

Do badania jakości wyprostowanego prądu stosuje się dwa współczynniki. Współczynik szczytu, to stosunek wartości maksymalnej prądu i(t) do jego wartości skutecznej:

Współczynnik kształtu wylicza się dzieląc wartość skuteczną prądu i(t) do wartości średniej prądu :

Wartości Iśr i I mierzymy miernikami włączonymi w układ. Wartości średnie podają mierniki magnetoelektryczne (są to wartości U­3 i I3), natomiast wartości skuteczne odczytujemy z mierników elektromagnetycznych (U1,U2,I1,I2). Wartość maksymalną napięcia wyprostowanego odczytaliśmy z woltomierza czwartego (U4), jak również można to wyliczyć z wykresów otrzymanych z oscylatora. Napisane powyżej wzory można odnieść także do napięć w układzie. Będą to wtedy współczynniki kształtu i szczytu napięcia. Ponieważ prądy i napięcia różnią się od siebie tylko o stałą, możemy analizować zarówno prądy jak i napięcia i otrzymamy takie same wyniki.

Pierwszym badanym podczas ćwiczenia obwodem było szeregowe połączenie diody i rezystora. Jest to najprostszy prostowik, dziś już prawie nie używany.

a) układ prostowniczy jednofazowy półokresowy

b) przebieg napięcia w rezystorze

Podając na wejście prąd sinusoidalnie zmienny, na wyjściu otrzymaliśmy górną część sinusoidy. Dolna została obcięta. Na rezystorze prąd płynie w jednym kierunku. Jednak w układzie tym następują znaczne utraty mocy. Moc na wyjściu wynosi zaledwie 19 W. Nie jest to jednak wynik zaskakujący, gdyż tracona jest połowa okresu napięcia i prądu. Wyliczone współczynniki szczytu i kształtu zamieściłem w tabeli końcowej.

Właściwości układu poprawia dołączony równolegle kondensator. Gdy napięcie rośnie, rośnie też ładunek zgromadzony na okładkach kondensatora. Gdy napięcie zacznie opadać, kondensator przeciwdziałając tym zmianom zacznie się rozładowywać. Spowoduje to wygładzenie charakterystyki przedstawiającej napięcie wyprostowane.

a) układ prostowniczy jednofazowy połówkowy z kondensatorem

b) wykres wyprostowanego napięcia

W układzie, dzięki zastosowaniu kondensatora moc zwiększa się.

Innym sposobem prostowania napięcia jest zastosowanie tzw. mostka Graetza, opartego na czterech diodach. Jest to prostownik pełnookresowy, czyli prostowane są obydwie połówki napięcia.

a) układ prostownika jednofazowego pełnookresowego

b) wykres wyprostowanego napięcia

Dzięki takiemu połączeniu ze sobą diód, niezależnie od kierunku napięcia zawsze przez rezystor płynie prąd, któraś para diód jest w stanie przewodzenia. Znów następuje zwiększenie się mocy w układzie.

Dalszą poprawę współczynników szczytu i kształtu oraz mocy układu uzyskuje się włączając równolegle do rezystancji kondensator.

a)układ mostkowy obciążony rezystancją i pojemnością

b) wykres wyprostowanego napięcia

Zastosowanie w układzie kondensatora sprawiło, że współczynnik kształtu osiągnął wartość 1, czyli najlepszy z możliwych. Wartość skuteczna prądu w obwodzie równa jest wartości średniej.

Istnieje również potrzeba prostowania prądów trójfazowych. Stosuje się do tego dwa układy : półokresowy i pełnookresowy.

a) układ prostownika trójfazowego półokresowego

b) wykres wyprostowanego napięcia

W układzie tym każda z diód przewodzi przez jedną trzecią okresu. Przeanalizujmy przebiegi. Zasada ogólna jest taka: przewodzi ta dioda na której jest największe napięcie. Tak więc dioda pierwsza D1 będzie przewodzić dla t należącego do przedziału (/6 , 5/6), gdyż wtedy er ma wartość największą. Dioda D2 przewodzi gdy t wynosi (5/6 , 3/2) Zaś dioda D3 wtedy gdy et ma największą wartość, czyli dla t zawierającego się w przedziale (3/2 , 13/6). Częstotliwość prądu wyprostowanego jest trzykrotnie większa od częstotliwości prądu sieci. Napięcie wsteczne dla każdej diody wynosi tyle ile napięcie międzyfazowe.

a) schemat prostownika trójfazowego półokresowego obciążonego rezystancją i pojemnością

b) wykres napięcia wyprostowanego

Dalszą poprawę wskaźników prostowanego napięcia uzyskujemy dzięki włączeniu równolegle w obwód kondensatora. Poprawa mocy uzyskiwanej w układzie również jest znaczna.

Ostatnim badanym układem był układ mostkowy Graetza dla układów trójfazowych.

a) układ prostownika trójfazowego, pełnookresowego

b) wykres wyprostowanego napięcia

W układzie tym każda dioda przewodzi przez jedną trzecią okresu, podobnie jak poprzednio, różnica jednak w tym, że każda dioda przewodzi dwukrotnie, po jedną szóstą okresu. Diody zmieniają się co jedną szóstą okresu. Przewodzi ta para diód na której wartość bezwzględna napięcia jest największa. wskażnik kształtu dla tego układu wynosi jeden. Układ ten daje więc prąd najbardziej zbliżony do stałego. Włączenie w układ kondensatora poprawia jeszcze napięcie, dzięki czemu współczynnik szczytu osiąga prawie jedynkę - równość napięcia maksymalnego, średniego i skutecznego.

a) układ mostkowy dla prądu trójfazowego z obciążeniem pojemnościowo - rezystancyjnym

b) wykres wyprostowanego napięcia

Układ na stanowisku ćwiczeniowym prystosowany był uniwersalny. W odpowiednie zaciski trzeba było tylko włączać zmieniające się układy prostujące.

Ćwiczenie pozwoliło nam porównać ze sobą poszczególne układy prostujące. Jak widać najlepiej spisywały się prostowniki w układzie mostkowym. Dlatego obecnie są one najpopularniejszymi układami prostującymi. Układów połówkowych prawie w ogóle się już nie stosuje. Zdecydowanie też poprawiał napięcie kondensator włączony równolegle. Najlepszym okazał się układ mostkowy w prądzie trójfazowym.

Wyniki współczynników kształtu i współczynników szczytu wyliczonych według pomiarów w znacznym stopniu pokrywają się z wynikami teoretycznymi, wyliczonymi na podstawie wzorów matematycznych. Znajdują się one w tabeli pierwszej. Wyniki doświadczenia znajdują się w tabeli drugiej.

Tabela 1

Wyniki teoretyczne

Rodzaj prosto-wnika	Wartość średnia	Wartość skuteczna	Współczynnik szczytu	Współczynnik kształtu	Współczynnik tętnień	Zakres zmian
1-fazowy półokresowy	0,32 Um R	0,5 Um R	2	1,57	1,11
1-fazowy pełnookresowy	0,64 Um R	0,707 Um R	1,41	1,11	0,47
3-fazowy półokresowy	0,826 Um R	0,84 Um R	1,19	1,02	—
3-fazowy pełnookresowy	0,955 Um R	0,955 Um R	1,05	1	—

Tabela 2

Wyniki doświadczenia

Rodzaj prostownika	Rodzaj obciążenia	U1 [V]	I1 [A]	I2 [A]	I3 [A]	U2 [V]	U3 [V]	U4 [V]	P [W]	kksz	ksz
1-fazowy półokresowy	R RC	52 52	0,13 0,37	0,12 0,37	0,08 0,16	37 50	25 47,5	70 70	19 36	1,892 1,4	1,48 1,053
1-fazowy pełnookresowy	R RC	52 52	0,18 0,39	0,18 0,38	0,16 0,21	52 60	45 60	70 70	38 32	1,346 1,167	1,15 1
3-fazowy półokresowy	R RC	52 52	0,13 0,22	0,21 0,37	0,21 0,37	72 76	60 70	85 85	54 62	1,181 1,118	1,2 1,086
3-fazowy pełnookresowy	R RC	52 52	0,13 0,47	0,41 0,52	0,41 0,42	120 122	120 122	125 125	50 52	1,042 1,025	1 1

---