Ćwiczenie: Układy prostownicze

Transkrypt

1 Instytut Elektroniki Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechnika Śląska Ćwiczenie: Układy prostownicze Opracował: dr inż. Jerzy Fiołka dr inż. Zenon Kidoń 1

2 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową i działaniem prostownika półokresowego, pełnookresowego dwudiodowego oraz w układzie mostka Graetza a także podwajaczy napięcia: symetrycznego i niesymetrycznego. Podstawy teoretyczne Wstęp teoretyczny do ćwiczenia znajduje się w skrypcie Laboratorium Elektroniki II, Rozdział: Ćwiczenie 1: Układy prostownicze. Jest to praca zbiorowa pod redakcją Stanisława Malzachera i Krzysztofa Zioło, dostępna w kilku wydaniach (skrypt nr 2008, 2212 lub 2323). Przed zajęciami student powinien zapoznać się ze wspomnianym materiałem dydaktycznym. Stanowisko laboratoryjne Podstawowym elementem stanowiska laboratoryjnego jest dedykowany model, zaprojektowany i wykonany w Instytucie Elektroniki Politechniki Śląskiej. Model ten zawiera wszystkie elementy niezbędne do budowy układów omówionych w tejże instrukcji. Na rysunku 1 przedstawiono wygląd płyty czołowej. Wyprowadzenia poszczególnych elementów dostępne są w postaci gniazd bananowych, umieszczonych przy danym symbolu. Połączeń pomiędzy punktami układu dokonujemy za pomocą dostępnych na każdym stanowisku przewodów z wtykami bananowymi. W celu zestawienia pełnego układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych, konieczne jest również dołączenie zewnętrznych mierników, tj. amperomierza i woltomierza, do zacisków opisanych symbolem danego przyrządu. W celu zmiany wartości prądu obciążenia należy dołączyć do zacisków Robc. znajdujące się w modelu obciążenie rezystancyjne, które zrealizowano w postaci szeregowo połączonych potencjometrów i rezystorów. W zależności od wymaganego zakresu zmian prądu, dokonujemy wyboru pomiędzy potencjometrem 470 Ω lub 4.7 kω. Możliwe jest także stosowanie połączonych szeregowo potencjometrów i rezystorów 4.7 kω do uzyskania dużej wartości rezystancji. Program ćwiczenia przewiduje również obserwację przebiegów napięcia i prądu w układzie za pomocą oscyloskopu. Należy jednak zaznaczyć, iż prąd mierzony jest w sposób pośredni, tj. jako spadek napięcia na szeregowo włączonych rezystorach o wartości 1 Ω. Pomiary oscyloskopem należy wykonywać korzystając tylko z jednego kanału wejściowego (oba kanały mają wspólną masę, co ogranicza możliwość obserwacji dowolnych dwóch przebiegów czasowych i przy nieumiejętnym korzystaniu może prowadzić do zwarć w układzie). Prawie wszystkie pomiary i obserwacje należy przeprowadzać w trybie DC (stałoprądowym) oscyloskopu przy wyłączonej ciągłej regulacji wzmocnienia toru pomiarowego (lub zależnie od modelu oscyloskopu przy ustawionym potencjometrze ciągłej regulacji wzmocnienia w pozycji calibrated ). Tryb DC zapewnia możliwość prawidłowego odniesiena obserwowanego przebiegu do poziomu zera należy zawsze odnotować ten poziom zerowy przebiegu. Trybu AC (z odciętą składową stałą) można uzywać tylko do pomiaru i obserwacji niewielkich tętnień odfiltrowanego napięcia stałego na rezystorze obciążenia. 2

3 Rys. 1. Wygląd płyty czołowej modelu laboratoryjnego. Program ćwiczenia 1. Pomiar amplitudy napięcia wtórnego transformatora Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę napięcia wtórnego transformatora (U 2MAX ). Zwrócić uwagę na zniekształcenia napięcia sieciowego. Obliczyć wartość skuteczną napięcia wyjściowego transformatora, zakładając, że jest ono idealną sinusoidą. Wskazać przyczynę zaobserwowanych zniekształceń napięcia sieciowego. 2. Prostownik półokresowy z obciążeniem rezystancyjnym (obowiązkowe) Połączyć układ prostownika półokresowego (Rys. 2) Rys. 2. Prostownik półokresowy z obciążeniem rezystancyjnym. 3

4 na ekranie oscyloskopu) następujące przebiegi czasowe dla jednej wartości prądu obciążenia (np. 50mA): napięcie na obciążeniu rezystancyjnym u R (t), napięcie na diodzie u D (t) oraz prąd diody i D (t) wykorzystując do tego celu połączony szeregowo z diodą rezystor 1Ω. Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę napięcia u R (t) oraz maksymalne napięcie wsteczne występujące na diodzie U DWmax. Zmierzyć woltomierzem (tryb DC) wartość napięcia U R. prostownika dla prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). Zmierzyć woltomierzem w trybie AC składową zmienną napięcia na rezystancji obciążenia dla tych samych wartości prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). przebiegami teoretycznymi UWAGA: Przebiegi czasowe można przeszkicować z ekranu oscyloskopu lub zrobić zdjęcie i zamieścić je w sprawozdaniu. Takie zamieszczone zdjęcie przebiegu czasowego powinno mieć zaznaczoną linię zerową poziom zera przebiegu. Mając wartość amplitudy napięcia u R (t) obliczyć wartość średnią oraz wartość skuteczną napięcia U R i porównać te wartości ze wskazaniem woltomierza. Narysować charakterystykę wyjściową U R = f(i R ) prostownika półokresowego aproksymując uzyskane punkty pomiarowe. Wyznaczyć rezystancję wewnętrzną prostownika (jako źródła napięcia o uzyskanej charakterystyce wyjściowej). UWAGA: charakterystyki wyjściowe wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. napięcia wyjściowego U R AC = f(i R ) prostownika półokresowego. UWAGA: charakterystyki składowej zmiennej napięcia wyjściowego wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. 3. Prostownik pełnookresowy z obciążeniem rezystancyjnym (obowiązkowe) Połączyć układ prostownika pełnookresowego (Rys. 3). Przyrządy pomiarowe oraz rezystancja obciążenia jak na Rys. 2. na ekranie oscyloskopu) następujące przebiegi czasowe dla jednej wartości prądu obciążenia (np. 50mA): napięcie na obciążeniu rezystancyjnym u R (t), napięcie na jednej z diod u D (t) oraz prąd wybranej diody i D (t) wykorzystując do tego celu połączony szeregowo z diodą rezystor 1Ω. Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę napięcia u R (t) oraz maksymalne napięcie wsteczne występujące na wybranej diodzie U DWmax. Zmierzyć woltomierzem (tryb DC) wartość napięcia U R. Uwaga: zwrócić uwagę na przerwę przepływu prądu w okolicy zera zmierzyć czas tej przerwy. prostownika dla prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz 4

5 w trybie DC). Zmierzyć woltomierzem w trybie AC składową zmienną napięcia na rezystancji obciążenia dla tych samych wartości prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). D1 U 2 U VAC 50 Hz z 1 z 2 U 2 z 2 D2 Rys. 3. Prostownik pełnookresowy z obciążeniem rezystancyjnym. przebiegami teoretycznymi Mając wartość amplitudy napięcia u R (t) obliczyć wartość średnią oraz wartość skuteczną napięcia U R i porównać te wartości ze wskazaniem woltomierza. Narysować charakterystykę wyjściową U R = f(i R ) prostownika pełnookresowego aproksymując uzyskane punkty pomiarowe. Wyznaczyć rezystancję wewnętrzną prostownika (jako źródła napięcia o uzyskanej charakterystyce wyjściowej). UWAGA: charakterystyki wyjściowe wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. napięcia wyjściowego U R AC = f(i R ) prostownika pełnookresowego. UWAGA: charakterystyki składowej zmiennej napięcia wyjściowego wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. 4. Prostownik mostkowy z obciążeniem rezystancyjnym (dodatkowe) Połączyć układ prostownika mostkowego (Rys. 4). Przyrządy pomiarowe oraz rezystancja obciążenia jak na Rys. 2. na ekranie oscyloskopu) następujące przebiegi czasowe dla jednej wartości prądu obciążenia (np. 50mA): napięcie na obciążeniu rezystancyjnym u R (t), napięcie na jednej z diod u D (t) oraz prąd wybranej diody i D (t) wykorzystując do tego celu połączony szeregowo z diodą rezystor 1Ω. Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę napięcia u R (t) oraz maksymalne napięcie wsteczne występujące na 5

6 wybranej diodzie U DWmax. Zmierzyć woltomierzem (tryb DC) wartość napięcia U R. Uwaga: zwrócić uwagę na większy niż w przypadku prostownika pełnookresowego czas trwania przerwy przepływu prądu w okolicy zera zmierzyć czas tej przerwy. prostownika dla prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). Zmierzyć woltomierzem w trybie AC składową zmienną napięcia na rezystancji obciążenia dla tych samych wartości prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). U V 50 Hz u 2 D 1 D 3 z 1 z 2 D 2 D 4 Rys. 4. Prostownik mostkowy z obciążeniem rezystancyjnym. przebiegami teoretycznymi Mając wartość amplitudy napięcia u R (t) obliczyć wartość średnią oraz wartość skuteczną napięcia U R i porównać te wartości ze wskazaniem woltomierza. Narysować charakterystykę wyjściową U R = f(i R ) prostownika mostkowego aproksymując uzyskane punkty pomiarowe. Wyznaczyć rezystancję wewnętrzną prostownika (jako źródła napięcia o uzyskanej charakterystyce wyjściowej). UWAGA: charakterystyki wyjściowe wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. napięcia wyjściowego U R AC = f(i R ) prostownika mostkowego. UWAGA: charakterystyki składowej zmiennej napięcia wyjściowego wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. 5. Niesymetryczny podwajacz napięcia (obowiązkowe) Połączyć układ niesymetrycznego podwajacza napięcia (Rys. 5). Przyrządy pomiarowe oraz rezystancja obciążenia jak na Rys. 2. na ekranie oscyloskopu) następujące przebiegi czasowe dla dwóch wartości prądu obciążenia (np. 3mA oraz 30mA): napięcie na obciążeniu rezystancyjnym u R (t), napięcie na obu diodach oraz prądy obu diod. Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu 6

7 maksymalne napięcie wsteczne obu diod. Ponadto w trybie AC oscyloskopu zaobserwować (dla obu wartości prądu obciążenia) tętnienia napięcia wyjściowego U R oraz zmierzyć amplitudę tych tętnień. podwajacza dla prądu I R z zakresu 1-30mA (około 5 pomiarów, amperomierz w trybie DC). Zmierzyć woltomierzem w trybie AC składową zmienną napięcia na rezystancji obciążenia dla tych samych wartości prądu I R z zakresu 1-30mA (około 5 pomiarów, amperomierz w trybie DC). C 1 U V 50 Hz u 2 D1 D2 z 1 z 2 C 2 R L + u WY Rys. 5. Niesymetryczny podwajacz napięcia. przebiegami teoretycznymi Narysować charakterystykę wyjściową U R = f(i R ) podwajacza aproksymując uzyskane punkty pomiarowe. Wyznaczyć rezystancję wewnętrzną podwajacza (jako źródła napięcia o uzyskanej charakterystyce wyjściowej). UWAGA: charakterystyki wyjściowe wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. napięcia wyjściowego U R AC = f(i R ) podwajacza. UWAGA: charakterystyki składowej zmiennej napięcia wyjściowego wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. 6. Symetryczny podwajacz napięcia (dodatkowe) Połączyć układ symetrycznego podwajacza napięcia (Rys. 6). Przyrządy pomiarowe oraz rezystancja obciążenia jak na Rys. 2. na ekranie oscyloskopu) następujące przebiegi czasowe dla dwóch wartości prądu 7

8 obciążenia (np. 3mA oraz 30mA): napięcie na obciążeniu rezystancyjnym u R (t), napięcie na obu diodach oraz prądy obu diod. Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu maksymalne napięcie wsteczne obu diod. Ponadto w trybie AC oscyloskopu zaobserwować (dla obu wartości prądu obciążenia) tętnienia napięcia wyjściowego U R oraz zmierzyć amplitudę tych tętnień. podwajacza dla prądu I R z zakresu 1-30mA (około 5 pomiarów, amperomierz w trybie DC). Zmierzyć woltomierzem w trybie AC składową zmienną napięcia na rezystancji obciążenia dla tych samych wartości prądu I R z zakresu 1-30mA (około 5 pomiarów, amperomierz w trybie DC). U V 50 Hz i TR i L + D 1 u 2 D 2 C 1 i C1 u WY R L z 1 z 2 C 2 i C2 - Rys. 5. Symetryczny podwajacz napięcia. przebiegami teoretycznymi Narysować charakterystykę wyjściową U R = f(i R ) podwajacza aproksymując uzyskane punkty pomiarowe. Wyznaczyć rezystancję wewnętrzną podwajacza (jako źródła napięcia o uzyskanej charakterystyce wyjściowej). UWAGA: charakterystyki wyjściowe wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. napięcia wyjściowego U R AC = f(i R ) podwajacza. UWAGA: charakterystyki składowej zmiennej napięcia wyjściowego wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. 7. Prostownik pełnookresowy z obciążeniem typu RC (obowiązkowe) Połączyć układ prostownika pełnookresowego z filtrem wygładzającym kondensatorem podłączonym równolegle do obciążenia (Rys. 6). na ekranie oscyloskopu) następujące przebiegi czasowe dla dwóch wartości prądu 8

9 obciążenia (np. 10mA oraz 100mA): napięcie na obciążeniu rezystancyjnym u R (t), napięcie na jednej z diod u D (t), prąd wybranej diody i D (t) oraz prąd kondensatora i C (t). Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu napięcie wsteczne występujące na wybranej diodzie U DWmax. Zaobserwować różnice występujące w przebiegach przy zmianie prądu obciążenia. Odłączyć jedną z diod i zaobserwować jak zmieniają się przebiegi czasowe. prostownika dla prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). Zmierzyć woltomierzem w trybie AC składową zmienną napięcia na rezystancji obciążenia dla tych samych wartości prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). L C L C L C 1 C 2 Rys. 6. Prostownik pełnookresowy z filtrem wygładzającym. przebiegami teoretycznymi. Zauważyć, że prąd z transformatora nie jest pobierany w sposób ciągły. Uzasadnić zmiany wartości tętnień napięcia wyjściowego ze zmianą prądu obciążenia. Narysować charakterystykę wyjściową U R = f(i R ) prostownika pełnookresowego z obciążeniem RC aproksymując uzyskane punkty pomiarowe. Wyznaczyć rezystancję wewnętrzną prostownika z filtrem wygładzającym (jako źródła napięcia o uzyskanej charakterystyce wyjściowej). UWAGA: charakterystyki 9

10 wyjściowe wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. napięcia wyjściowego U R AC = f(i R ) prostownika pełnookresowego. UWAGA: charakterystyki składowej zmiennej napięcia wyjściowego wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. 8. Prostownik pełnookresowy z obciążeniem typu RL (obowiązkowe) Połączyć układ prostownika pełnokresowego z filtrem wygładzającym dużą indukcyjnością (dławikiem) podłączonym szeregowo do obciążenia (Rys. 6). na ekranie oscyloskopu) następujące przebiegi czasowe dla dwóch wartości prądu obciążenia (np. 50mA oraz 200mA): napięcie na obciążeniu rezystancyjnym u R (t), napięcie na dławiku u L (t), napięcie na jednej z diod u D (t), prąd wybranej diody i D (t). Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu napięcie wsteczne występujące na wybranej diodzie U DWmax. Zaobserwować różnice występujące w przebiegach przy zmianie prądu obciążenia. Odłączyć jedną z diod i zaobserwować jak zmieniają się przebiegi czasowe. prostownika dla prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). Zmierzyć woltomierzem w trybie AC składową zmienną napięcia na rezystancji obciążenia dla tych samych wartości prądu I R z zakresu 1-200mA (około 6-10 pomiarów, amperomierz w trybie DC). przebiegami teoretycznymi. Zauważyć, że prąd pobierany z transformatora jest w sposób ciągły. Uzasadnić zmiany wartości tętnień napięcia wyjściowego ze zmianą prądu obciążenia. Narysować charakterystykę wyjściową U R = f(i R ) prostownika pełnookresowego z obciążeniem RL aproksymując uzyskane punkty pomiarowe. Wyznaczyć rezystancję wewnętrzną prostownika z filtrem wygładzającym (jako źródła napięcia o uzyskanej charakterystyce wyjściowej). UWAGA: charakterystyki wyjściowe wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. napięcia wyjściowego U R AC = f(i R ) prostownika pełnookresowego. UWAGA: charakterystyki składowej zmiennej napięcia wyjściowego wszystkich badanych układów należy zamieścić na jednym wspólnym wykresie. 7. Prostownik pełnookresowy z innymi filtrami wygładzającymi (dodatkowe) Połączyć układ prostownika pełnookresowego z innymi filtrami wygładzającymi (Rys. 6). Dla dwóch wartości prądu obciążenia (np. 20mA oraz 200mA) zaobserwować na oscyloskopie przebieg napięcia na obciążeniu rezystancyjnym u R (t) w trybie DC 10

11 (mierząc wartość średnią tego napięcia) oraz w trybie AC (mierząc wartość międzyszczytową tętnień. Dokonać też dwóch pomiarów woltomierzem (w trybach DC oraz AC) dla obu prądów obciążenia. Powtórzyć pomiary dla pozostałych konfiguracji filtrów wygładzających. Wyliczyć i porównać wartości współczynnika tętnień zdefiniowanego jako stosunek wartości międzyszczytowej tętnień do wartości średniej napięcia wyjściowego. 11