E-5 BADANIE UKŁADÓW PROSTUJĄCYCH PRĄD PRZEMIENNY

Transkrypt

1 BADANIE KŁADÓW PROSJĄCYCH PRĄD PRZEMIENNY I. Cel ćwiczenia: pmiar pdsawwych paramerów prswnika jedn- i dwupłówkweg raz najprsszych filrów. II. Przyrządy: płyka mnażwa, wlmierz magneelekryczny, wlmierz elekrdynamiczny lub elekrmagneyczny, scylp. III. Lieraura:. E. Nrman Lurch, Pdsawy echniki elekrnicznej, Warszawa R. Śledziewi, Elekrnika dla fizyków, Warszawa 978. IV. Wprwadzenie Źródłami napięć sałych w urządzeniach sacjnarnych są zw. zasilacze sabilizwane. prszczny schema blkwy akieg zasilacza przedsawia rys.. ~V P F S wyjście Rys. Schema blkwy zasilacza sabilizwaneg: ransfrmar, P prswnik, F filr, S układ sabilizacji regulacji napięcia wyjściweg. ransfrmar bniża (najczęściej) napięcie sieci V, a prswnik P zamienia prąd przemienny w prąd zmienny płynący wyłącznie w jednym kierunku (prąd pulsujący). Filr F wygładza prąd zmienny i na jeg wyjściu, ile jes filr dużej efekywnści, rzymujemy napięcie prakycznie sałe w czasie. Niewielkie zmiany kreswe eg napięcia nazywamy ęnieniami. Zadaniem układu sabilizacji jes aumayczne urzymanie sałej warści napięcia wyjściweg niezależnie d zmian (w pewnych granicach) napięcia sieci. IV.. Składwa sała, ładwa zmienna i współczynnik ęnień. Oznaczmy przez () warść napięcia w chwili na wyjściu prswnika lub filru. Warścią średnią lub ładwą sałą napięcia wyjściweg () nazywamy warść wyrażenia = ( ) d () gdzie jes kresem funkcji (). Napięcie (), kóreg warść w danej chwili równa jes różnicy warści chwilwej napięcia wyjściweg () i warści średniej napięcia wyjściweg ( ) ( ) = () nazywamy ładwą zmienną napięcia wyjściweg. Współczynnikiem ęnień nazywamy ssunek warści uecznej ładwej zmiennej d warści ładwej sałej, k= ()

2 gdzie = ( ), d () Współczynnik ęnień k jes miarą efekywnści filru. Warści ueczne napięcia wyjściweg i ładwej zmiennej spełniają zależnść +, = (5) Zależnść (5) wynika z definicji warści uecznej i średniej. [W lieraurze mżna spkać znaczenie warści uecznej indeksem RMS ( RMS ). Jes ró angielieg erminu średni pierwiasek kwadrawy.] IV.. Prswnik jednpłówkwy (półfalwy) i dwupłówkwy. Prswnik jednpłówkwy. Najprsszym prswnikiem jes pjedyncza dida półprzewdnikwa, przez kórą zaczyna płynąć prąd w kierunku przewdzenia, gdy różnica pencjałów między wyprwadzeniami elekrycznymi bszarów "p" i "n" półprzewdnika saje się większa d napięcia dyfuzyjneg d niesplaryzwaneg zewnęrznym napięciem złącza p-n. W mmencie, gdy różnica pencjałów pnwnie siąga warść napięcia dyfuzyjneg d, w bwdzie przesaje płynąć prąd w kierunku przewdzenia. P bniżeniu się napięcia pniżej warści d przez złącze płynie prąd w kierunku zaprwym, ale naężenie eg prądu jes mniejsze d naężenia prądu przewdzenia kilka rzędów wielkści. Ampliuda napięcia przemienneg w akim bwdzie musi być mniejsza d warści bezwzględnej napięcia przebicia lawinweg didy. Schema prswnika jednpłówkweg przedsawia rys.a. we R () we R () a) b) we R () we c) Rys. Prswnik: a) jednpłówkwy, b) dwupłówkwy w układzie mwym (Graeza), c) dwupłówkwy z dzielnym uzwjeniem ransfrmara.

3 Dla idealneg prswnika zerwym prze elekrycznym w sanie przewdzenia i nieńcznym prze w sanie splaryzwania zaprweg raz przy załżeniu, że d jes bardz małe ( d = ) napięcie wyjściwe () będzie równe ( ) = sin( ω) dla we( ) > i (6) ( ) = dla we( ) <. Przebieg napięcia na wyjściu prswnika jednpłówkweg przedsawia rys.a. a) b) Rys. Napięcie wyjściwe z prswnika jednpłówkweg a) i dwupłówkweg b). Warść średnia przedsawineg napięcia na rys.a wynsi zaś warść ueczna = sinωd=, (7) π = sin ωd, (8) =, namias war- gdzie jes kresem napięcia przemienneg a ampliudą. [Dla napięcia przemienneg sinusidalneg warść ueczna jes równa / ść średnia wynsi zer]. Prswnik dwupłówkwy. Zasadniczą wadą prswnika jednpłówkweg jes, że przewdzi n c najwyżej w czasie płwy kresu napięcia przemienneg. Wady ej pzbawiny jes prswnik dwupłówkwy, przedsawiny na rysunku b i c. Dla idealnych elemenów prsujących warść średnia napięcia pulsująceg na wyjściu prswnika dwupłówkweg jes równa = (9) π a warść ueczna

4 = () Przebieg () pkazany na rysunku c reprezenuje wypadkwy przebieg napięcia na wyjściu prswnika jednpłówkweg; jes ładwą zmienną (rys.b), jes ładwą sałą (rys.a) eg napięcia zmienneg. a) b) () c) () Rys. Nakładanie się napięcia zmienneg i sałeg na wyjściu prswnika. Skrzysajmy z zależnści (5) i bliczymy, ęnień =, gdzie jes warścią ueczną napięcia () na wyjściu prswnika lub filru. W przypadku prswnika jednpłówkweg mamy, = π, = = π,,86 k = =,8 pr = k pr jes współczynnikiem ęnień prswnika. Dla prswnika dwupłówkweg mamy, = = π,86,,7

5 , k pr = =,8 e same zależnści uzyać mżemy z definicji warści uecznej (). Np. przebieg ładwej zmiennej na rysunku b dany jes funkcją = sinω dla < < = dla < <, = ( sinω ) + Wyknując całkwanie rzymamy, = =,86 π abela I zawiera charakerysyczne paramery bu prswników. Rdzaj prswnika, k pr abela I, = Prswnik jednpłówkwy Prswnik dwupłówkwy π π,86,,7,8 IV. Filry. Jak wspmnian we wprwadzeniu, d zmniejszania ęnień napięcia wyjściweg służą filry abela II Jedni Ω, µf, H Filr C C R Współczynnik ęnień Filr LC L C R Filr LC C L ypu π C R,88 LC RC,9 7,5 LC C R, RC LC,97,5 LC C R Jeżeli współczynnik ęnień prswnika wynsi k pr, a współczynnik ęnień filru ma warść k fil, wówczas sumaryczny współczynnik ęnień k jes równy 5

6 k= k pr k fil abela II zawiera ereyczne współczynniki ęnień, bliczne dla współpracy prswników jedn- i dwupłówkwych z wyszczególninymi rdzajami filrów. Najpełniejszy braz pracy prswnika wraz z filrem uzyamy psługując się scylpem. Jeżeli wyjście układu prsująceg płączymy z wejściem zmiennprądwym (znaczane przez "~" lub "AC" ) scylpu, na ekranie rzymamy wykres wyłącznie ładwej zmiennej, gdyż kndensar C, włączny między gniazd wejściwe a wzmacniacz dchylania pinweg Y (parz insrukcja Pdsawwe mierniki elekryczne i elekrniczne ) denie ładwą sałą, c ilusruje rys.5a. a Rys. 5 Napięcie na wyjściu układu prsująceg bserwwane na scylpie z wejściem zmiennprądwym ~ a) i z wejściem sałprądwym = b). Przełączając wejście zmiennprądwe na sałprądwe (znaczane przez = lub DC ) bserwujemy przesunięcie wykresu ładwej zmiennej dcinek dpwiadający ładwej sałej, czyli warści średniej napięcia wyjściweg badaneg układu (rys.5b). Zmiana rdzaju wejścia scylpu plega na zwarciu ze sbą kładek kndensara szeregweg w rze dchylania pinweg scylpu. Rys.6 przedsawia napięcie źródła prądu sałeg bserwwane na scylpie wejściu AC a) i wejściu DC b). b a Rys. 6 Napięcie źródła prądu sałeg bserwwane na scylpie wejściu AC a) i wejściu DC b). W przeciwieńswie d scylpu różne ypy wlmierzy analgwych będą wazywały różne warści napięcia na wyjściu układu prsująceg. I ak wlmierz magneelekryczny, przeznaczny d pmiarów napięć sałych, a więc nie wypsażny w prswnik, waże warść ładwej sałej. Sanie się ak w przypadku, gdy kres zmian napięcia będzie znacznie krószy d kresu drgań własnych uzwjenia ruchmeg (, - s). Wlmierz elekrdynamiczny waże z klei warść ueczną napięcia wyjściweg, a w przypadku napięcia sałeg pprawną jeg b 6

7 warść. Również niekóre z wlmierzy elekrmagneycznych mierzą pprawnie zarówn napięcia sałe, jak i zmienne niezby wyskich częsściach. V. Pmiary. D źródła prądu sałeg V dłączyć równlegle wlmierz magneelekryczny, wlmierz elekrdynamiczny lub elekrmagneyczny i scylp (rys.7). Wyznaczyć warść napięcia wazywaną przez każdy z ych przyrządów. symbl przyrządu magneelekryczneg symbl przyrządu elekrmagneyczneg symbl przyrządu elekrdynamiczneg scylp CH I (CH II) V V + _ V Rys. 7 Płączenie wlmierzy magneelekryczneg (V ) i elekrmagneyczneg (V ) raz scylpu równlegle d zasilacza prądu sałeg.. D wórneg uzwjenia ransfrmara sieciweg płyki mnażwej dłączyć równlegle ba wlmierze i scylp (źródł napięcia sałeg z rys.7 zasąpić ransfrmarem sieciwym). Wyznaczyć: średnią warść napięcia (wlmierzem magneelekrycznym i scylpem), warść ueczną (bu wlmierzami i scylpem) i ampliudę.. Płączyć przyrządy wg schemau przedsawineg na rys.8. Wyknać e same pmiary c pprzedni, a nasępnie pwórzyć je dla prswnika dwupłówkweg. Wyniki z punków,, zebrać w abeli III. We Y scylpu (kanał CH I lub CH II) V kω V V Rys. 8 7

8 abela III Oscylp Miernik Magneelekrycz. Miernik elekrmag. Ampliuda [V] Skład. sała [V] Obliczna Warść [V] = Warść ueczna [V] Zasilacz napięcia sałeg V Napięcie z uzwjenia wórneg Prswnik jednpłówkwy Prswnik dwupłówkwy. Za pmcą scylpu zmierzyć warść ładwej sałej (zanwać w abeli III). Naszkicwać (i zaznaczyć mierzne wielkści) zależnść ładwej zmiennej d czasu na wyjściu kilku filrów (abela II) dłącznych d wyjścia prswnika jedn- i dwupłówkweg. Pmiary e sanwić będą pdsawę d wyznaczenia warści współczynników ęnień. VI. Opracwanie wyników.. Prównać wyniki pmiarów eg sameg napięcia sałeg i przemienneg, wyknanych bu wlmierzami raz scylpem. W przypadku, gdy wyniki różnią się bardziej, niż wynikałby z klas przyrządów - uznać wlmierz elekrdynamiczny (elekrmagneyczny) za przyrząd wzrcwy i bliczyć współczynnik ali dla pzsałych przyrządów: w c= m gdzie w napięcie zmierzne przyrządem wzrcwym, m napięcie zmierzne danym miernikiem. Nasępnie bliczyć pprawine warści pzsałych pmiarów wyknanych ymi przyrządami: warść pprawina = współczynnik c warść zmierzna. Prównać wyniki pmiarów ładwej sałej i zmiennej napięcia na wyjściu prswnika jedn i dwupłówkweg. Ocenić, przy jakich rdzajach napięcia zmienneg wlmierz magneelekryczny z prswnikiem mierzy pprawnie warść ueczną.. Obliczyć dświadczalne warści współczynników ęnień k= / (parz rzdz. VII) dla bu prswników i wszyich zbadanych filrów. Wyniki bliczeń prównać z przybliżnymi warściami ereycznymi, wynikającymi z przycznych w ablicy II wzrów.. Przeprwadzić dyusję wyników. 8

9 VII. zupełnienie. Napięcie ładwej zmiennej na wyjściu układu prsująceg prąd przemienny, mżna z wysarczającą dla celów prakycznych dkładnścią, przedsawić w psaci przebiegu rójkąneg (rys.9). a) b) Rys. 9 Warść ueczna ak zmieniająceg się w czasie napięcia dana jes nasępującym wzrem: i = + dla przebiegu z rysunku 9a = dla przebiegu z rys.9b. 9