Ćwiczenie nr 6. Badanie elektronicznych układów zasilających

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 6 Badanie elektronicznych układów zasilających

2 Cel ćwiczenia. Poznanie budowy, zasady działania najprostszych układów zasilających wykorzystujących diody i tyrystory. 1. Podstawy teoretyczne Zasada działania zasilacza stabilizowanego. Łatwość wytwarzania oraz przetwarzania energii elektrycznej zaowocowała powstanie wielkiej liczby urządzeń zasilanych taką energią. Obecnie, szczególną rolę odgrywają urządzenia elektroniczne, bez których trudno sobie wyobrazić codzienne życie. Ze względu na sposób działania, urządzenia takie uszą być zasilane napięcie stały o stosunkowo ałej wartości (kilka, kilkanaście V). Aby skorzystać z sieci energetycznej (230V, 50Hz) należy zastosować układ odpowiednio przetwarzający napięcie zasilające. Do realizacji takiego zadania potrzebne są eleenty półprzewodnikowe: diody, tyrystory. Każdy układ zasilający, nazywany często zasilacze, powinien składać się z następujących eleentów: Napięcie wejściowe przeienne TR PR F ST Obniżone napięcie przeienne Napięcie tętniące, jednokierunkowe Napięcie stałe o ałych tętnieniach Rys Scheat blokowy zasilacza stabilizowanego. Stałe napięcie wyjściowe, stabilizowane TR transforator obniżający wartość napięcia; PR prostownik układ przekształcający napięcie przeienne na napięcie tętniące o wartości średniej różnej od zera napięcie jednokierunkowe; F filtr układ zniejszający tętnienia, wygładzający przebiegi; ST stabilizator napięcia układ utrzyujący stałą wartość napięcia wyjściowego, niezależnie od zian wartości napięcia wejściowego i obciążenia. W zależności od wyagań stawianych przebiegowi napięcia wyjściowego stosowane są różne rozwiązania bloków zasilaczy. W szczególnych przypadkach, podyktowanych głównie względai ekonoicznyi, rezygnuje się ze stabilizatora czy nawet filtru Podzespoły zasilacza stabilizowanego kłady prostownicze. Zadanie układów prostowniczych jest przekształcenie napięcia przeiennego (najczęściej sinusoidalnie ziennego) o wartości średniej równej 0, w napięcie jednokierunkowe o wartości średniej różnej od zera. Do realizacji tego zadania najczęściej wykorzystywane są diody i tyrystory. Wynika to z charakterystycznej własności diod i tyrystorów przepuszczania prądu elektrycznego tylko w jedny kierunku (w stanie przewodzenia). 2

3 Prostownik jednopołówkowy. Najprostszy układ prostownika jest przedstawiony na rys. 1.2: Rys Scheat prostownika jednopołówkowego. Dla ułatwienia rozważań przyjujey, że zastosowana dioda prostownicza jest diodą idealną tzn. jej rezystancja w stanie przewodzenia R F jest równa zero, zaś rezystancja w stanie zaporowy R R równa nieskończoność. Na wejście prostownika podawane jest napięcie sinusoidalnie zienne u we = we sinωt. W przedziale czasu ωt (0,) dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (wyższy potencjał na anodzie, niższy na katodzie). Prąd ze źródła napięcia przeiennego płynie przez diodę i przez obciążenie (rezystor R). Napięcie wyjściowe jest takie sao jak wejściowe ( we = wy = ) ze względu na założenie R F =0 (w rzeczywistości napięcie wyjściowe jest niejsze od wejściowego o spadek napięcia na przewodzącej diodzie, około 0,5V). W przedziale czasu ωt (,2) dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowy (wyższy potencjał na katodzie) i nie przepuszcza prądu (R R = ). Napięcie wyjściowe jest równe zero gdyż całe napięcie wejściowe odkłada się na diodzie. Przebiegi czasowe napięcia wejściowego i wyjściowego oraz prądu są przedstawione poniżej. Rys Przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego oraz prądu w prostowniku jednopołówkowy. 3

4 Wartość średnia napięcia wyjściowego jest równa: def T 2 1 wyśr = uwydt = sinωt d 32 T ( ωt) = sinωt d( ωt) = ~ 0,. Miarą wartości średniej jest pole powierzchni obszaru ograniczonego wykrese funkcji u wy (ωt), osią ωt oraz granicai przedziału całkowania <0, 2>. Wadą tego prostownika są duże tętnienia napięcia wyjściowego, a także ała wartość średnia napięcia wyjściowego (0,32 ) Prostownik dwupołówkowy. Rys Scheat prostownika dwupołówkowego w układzie ostka Graetza. Rys Przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego oraz prądów w prostowniku dwupołówkowy (ostek Graetza). 4

5 W przedziale czasu ωt (0,) (dodatnia półfala napięcia wejściowego) przewodzą diody D1 i D3, diody D2 i D4 są w stanie zaporowy. Napięcie wyjściowe jest równe napięciu wejścioweu (w rzeczywistości napięcie wyjściowe jest poniejszone o suę spadków napięć na przewodzących diodach - ok. 1V). Dla ujenej półfali napięcia wejściowego przewodzą diody D2 i D4, zaś diody D1 i D3 wchodzą w stan zaporowy. Napięcie wyjściowe jest równe wejścioweu co do wartości lecz a przeciwny znak. Zate dla obu półfal napięcia wejściowego prąd płynący przez obciążenie a jednakowy kierunek. Wartość średnia napięcia wyjściowego jest dwa razy większa niż w prostowniku jednopołówkowy: def T 1 2 wyśr = uwydt = sinωt d 64 T 0 0 ( ωt) = ~ 0,. Prostownik w układzie ostkowy (Graetza) jest obecnie najczęściej stosowany rozwiązanie prostownika. Z tego powodu diodowe ostki Graetza produkowane są w postaci hybrydowej, jako zaknięty eleent o czterech wyprowadzeniach (~,~,+,-) Prostownik jednopołówkowy sterowany. Zastępując w prostowniku jednopołówkowy diodę tyrystore otrzyujey prostownik sterowany. Rys Scheat prostownika jednopołówkowego sterowanego. Rys Przebiegi czasowe w prostowniku jednopołówkowy sterowany. 5

6 Na brakę tyrystora podawany jest cyklicznie (w odstępach czasu równych okresowi przebiegu prostowanego) prądowy ipuls wyzwalający (włączający tyrystor). Wyłączenie tyrystora następuje saoczynnie podczas ziany znaku napięcia wejściowego (napięcie na tyrystorze osiąga wartość zerową), po czy proces się powtarza. Ziana czasu iędzy pojawienie się dodatniej półfali napięcia a zbocze narastający ipulsu wyzwalającego (tzw. kąt wyzwalania θ - rys. 1.7) pozwala na regulację wartości średniej napięcia wyjściowego. T 1 wyśr = uwydt = sinω ( ω ) = ( 1+ cosθ ) 2 t d t dla θ <0,>. T Prostownik dwupołówkowy sterowany (2T-2D). Rys.1.8. Scheat prostownika 2T-2D. Rys.1.9. Przebiegi czasowe w prostowniku 2T-2D. 6

7 Jeżeli w układzie ostkowy Graetza diody zostaną zastąpione tyrystorai, to powstanie prostownik dwupołówkowy sterowany. Ze względów ekonoicznych stosuje się układ z dwoa tyrystorai i dwiea diodai tzw. prostownik 2T-2D. Jest to rozwiązanie całkowicie wystarczające, gdyż każdy z tyrystorów steruje prąde w jednej gałęzi. Podobnie jak w ostku Graetza przewodzą naprzeian pary: tyrystor T1, dioda D1 oraz tyrystor T2, dioda D2. Aby tyrystory weszły w stan przewodzenia, konieczne jest regularne podawanie na ich braki ipulsów wyzwalających (co ). Ziana kąta wyzwalania θ powoduje zianę wartości średniej napięcia wyjściowego zgodnie ze wzore: T 1 wyśr = uwydt = sinω ( ω ) = ( 1+ cosθ ) t d t dla θ <0,>. T 0 0 Najważniejszą zaletą prostowników sterowanych jest ożliwość regulacji napięcia wyjściowego. Należy również dodać, że jest to praktycznie regulacja bezstratna. Dzięki teu prostowniki sterowane ogą być stosowane do regulacji napięcia w układach zasilających dużej ocy, układach sterowania prędkością obrotową silników, w energoelektronice. Wadą prostowników sterowanych jest kształt przebiegu napięcia wyjściowego. Jest to przebieg silnie zniekształcony. Aby nie dopuścić do przenoszenia zakłóceń wysokoczęstotliwościowych do zasilanych układów, należy stosować filtry o dużej skuteczności kłady filtrujące. Z wcześniejszych rozważań wynika, że na wyjściu prostowników otrzyujey napięcie jednokierunkowe. Przebieg takiego napięcia odbiega znacznie od przebiegu idealnego napięcia stałego (linia prosta). Aby wygładzić przebieg napięcia (zniejszyć tętnienia) stosowane są najczęściej filtry dolnoprzepustowe. Są to układy, które przepuszczają sygnały (napięcie, prąd) o częstotliwościach niejszych od częstotliwości granicznej. Wykorzystywane jest w nich zjawisko ziany reaktancji eleentów biernych (cewka, kondensator) przy zianie częstotliwości. Najczęściej spotykane rozwiązania filtrów to filtry pojenościowe, rezystancyjno-pojenościowe, indukcyjne, pojenościowo-indukcyjne Filtr pojenościowy w prostowniku jednopołówkowy. Rys Scheat prostownika jednopołówkowego z filtre pojenościowy. 7

8 Rys Przebiegi napięcia i prądu w prostowniku z filtre. Po podaniu na układ dodatniej półfali napięcia dioda jest w stanie przewodzenia i przewodzi prąd, będący suą prądu obciążenia i o i prądu ładowania kondensatora i c. Z chwilą osiągnięcia przez napięcie wartości aksyalnej dioda przestaje przewodzić, gdyż napięcie na naładowany kondensatorze staje się większe od chwilowej wartości napięcia wejściowego (wyższy potencjał na katodzie). Od tej chwili kondensator jest rozładowywany przez obciążenie (rezystor R). Prąd obciążenia i o =i c, a zate napięcie wyjściowe aleje wykładniczo ze stałą czasową RC. Rozładowanie to a iejsce aż do czasu zrównania się napięcia wejściowego i napięcia na kondensatorze. Dioda zaczyna znów przewodzić prąd i=i c +i o, kondensator jest ładowany prąde i c, proces się powtarza. Aplituda tętnień jest uzależniona od stałej czasowej RC. I większe jest obciążenie (niejsza rezystancja R) ty aplituda tętnień staje się większa. Aby zniejszyć tętnienia należy zwiększyć pojeność kondensatora C. Należy dążyć do jak największej wartości stałej czasowej RC. Podobne zjawiska będą iały iejsce w prostowniku dwupołówkowy z filtre pojenościowy. Proces ładowania i rozładowania kondensatora będzie się powtarzał dwa razy częściej Stabilizatory napięcia. W wyniku różnego rodzaju zakłóceń, wartość napięcia zasilającego (np. w sieci energetycznej) oże się chwilowo zieniać. W wielu przypadkach jest to zjawisko bardzo niepożądane. Konieczne staje się stosowanie układów, utrzyujących stałą wartość napięcia zasilającego niezależnie od zian wartości napięcia wejściowego i zian wartości prądu obciążenia. Zadanie takie realizują stabilizatory napięcia. Podstawowy eleente stosowany w stabilizatorach napięcia jest dioda Zenera pracująca w obszarze przebicia. Scheat najprostszego stabilizatora napięcia przedstawia poniższy rysunek. Rys Scheat stabilizatora napięcia. 8

9 kład składa się rezystora R, ograniczającego prąd w układzie i diody Zenera DZ. Dioda Zenera, spolaryzowana zaporowo, powinna pracować na prostoliniowy odcinku charakterystyki w stanie przebicia. Aby tak było, napięcie wejściowe powinno być nieniejsze niż napięcie Zenera Z. Napięcie na diodzie jest wtedy praktycznie stałe i nie zależy od płynącego przez nią prądu. Zasadę działania stabilizatora najłatwiej jest wyjaśnić korzystając z charakterystyk prądowo-napięciowych diody Zenera i opornika R. Rys Analiza graficzna działania stabilizatora napięcia. Charakterystyka prądowo-napięciowa opornika R przechodzi przez punkty: we1 na osi napięcia i we1 /R na osi prądu. Przecięcie tej charakterystyki z charakterystyką diody Zenera daje punkt pracy stabilizatora P 1. Współrzędne punktu pracy pozwalają określić napięcie na diodzie czyli napięcie wyjściowe oraz prąd płynący przez diodę. Jeżeli napięcie wejściowe zostanie zwiększone do wartości we2 to prosta (charakterystyka rezystora) przesunie się równolegle w lewo. Punkt pracy przesunie się po charakterystyce diody do punktu P 2 praktycznie nie zieni się napięcie na diodzie, wzrośnie tylko prąd. I bardziej stroa jest część charakterystyki w obszarze przebicia, ty niejsze będą ziany napięcia wyjściowego. Jakość stabilizacji określa tzw. współczynnik stabilizacji k S. Jest on wyrażony wzore: wy ks = ; gdzie wy ziana napięcia wyjściowego odpowiadająca zianie napięcia wejściowego we. Stabilizacja będzie ty lepsza, i niejsza będzie wartość współczynnika k S. we 9

10 2. Badania laboratoryjne Badanie prostownika jednopołówkowego. kład połączeń. 220V P1 i D1 W A V P2 + R Tr P1' C P2' _ Przebieg poiarów. Połączyć układ wg powyższego scheatu. Za poocą oscyloskopu zaobserwować przebiegi napięcia wejściowego (kanał Y oscyloskopu włączony iędzy punkty P1,P1 ) i napięcia wyjściowego (punkty P2,P2 ) dla wyłączonego i włączonego kondensatora. Narysować, zachowując proporcje, obserwowane przebiegi. Dla kilku wartości rezystancji obciążenia R, podanych w instrukcji dodatkowej, zierzyć wartości prądu i napięcia w układzie (przy wyłączony i włączony kondensatorze). Wyniki zanotować w tabeli: Tabela 2.1 R wy I wy wy C I wy C [kω] [V] [A] [V] [A] Narysować charakterystykę wyjściową wy =f(i wy ) dla prostownika bez filtru i prostownika z filtre pojenościowy. 10

11 2.2. Badanie prostownika dwupołówkowego. kład połączeń. 220V P1 i D4 D1 W A V P2 + R Tr P1' D3 D2 C P2' _ Przebieg poiarów. Połączyć układ wg powyższego scheatu. Za poocą oscyloskopu zaobserwować przebiegi napięcia wejściowego (kanał Y oscyloskopu włączony iędzy punkty P1,P1 ) i napięcia wyjściowego (punkty P2,P2 ), dla wyłączonego i włączonego kondensatora. Narysować, zachowując proporcje, obserwowane przebiegi. Dla kilku wartości rezystancji obciążenia R, podanych w instrukcji dodatkowej, zierzyć wartości prądu i napięcia w układzie (przy wyłączony i włączony kondensatorze). Wyniki zanotować w tabeli: Tabela 2.2 R wy I wy wy C I wy C [kω] [V] [A] [V] [A] Narysować charakterystykę wyjściową wy =f(i wy ) dla prostownika bez filtru i prostownika z filtre pojenościowy Badanie prostownika sterowanego 2T-2D. kład połączeń. D2 T1 P V P1 V Tr D1 T2 P2' _ 11

12 Przebieg poiarów. Połączyć układ wg powyższego scheatu. Zaobserwować na ekranie oscyloskopu brakowe ipulsy wyzwalające oraz przebiegi napięcia wyjściowego. Dla kilku wartości kąta wyzwalania θ zierzyć wartość średnią napięcia wyjściowego i narysować przebiegi czasowe. Wyniki poiarów zanotować w tabeli: Tabela 2.3 wy =... θ wy po wy obl [deg] [V] [V] Obliczyć na podstawie poniższego wzoru wartość średnią napięcia wyjściowego. = wy obl ( 1+ cosθ ); dla θ <0,>. 3. Przykładowe pytania kontrolne. Wyjaśnić rolę diod i tyrystorów w układach zasilających. Oówić działanie prostowników niesterowanych. Oówić działanie prostowników sterowanych. Wyjaśnić zasadę działania filtru pojenościowego. Przedstawić analizę graficzną pracy stabilizatora napięcia. 12