E-5 BADANIE UKŁADÓW PROSTUJĄCYCH PRĄD PRZEMIENNY

Transkrypt

1 BADANIE KŁADÓW POSJĄCYCH PĄD PZEMIENNY I. Cel ćwiczenia: pmiar pdsawwych paramerów prswnika jedn- i dwupłówkweg raz najprsszych filrów. II. Przyrządy: płyka mnażwa, scylp. III. Lieraura:. E. Nrman Lurch, Pdsawy echniki elekrnicznej, Warszawa 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 ys. 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 (4) 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 MS ( MS ). 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 () we () a) b) we () we c) ys. Prswnik: a) jednpłówkwy, b) dwupłówkwy w układzie mskwym (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) ys. 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 4c reprezenuje wypadkwy przebieg napięcia na wyjściu prswnika jednpłówkweg; jes ładwą zmienną (rys.4b), jes ładwą sałą (rys.4a) eg napięcia zmienneg. a) b) () c) () ys.4 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, = = 4 π,,86 k = =,8 pr = k pr jes współczynnikiem ęnień prswnika. Dla prswnika dwupłówkweg mamy 4, = = π,86,,7 4

5 , k pr = =,48 e same zależnści uzyać mżemy z definicji warści uecznej (). Np. przebieg ładwej zmiennej na rysunku 4b dany jes funkcją = sinω dla < < = dla < <, = ( sinω ) + Wyknując całkwanie rzymamy, = =,86 4 π abela I zawiera charakerysyczne paramery bu prswników. dzaj prswnika, k pr abela I, = Prswnik jednpłówkwy Prswnik dwupłówkwy π π,86,,7,48 IV. Filry. Jak wspmnian we wprwadzeniu, d zmniejszania ęnień napięcia wyjściweg służą filry abela II Jednski Ω, µf, H Filr C C Współczynnik ęnień Filr LC L C Filr LC C L ypu π C,88 LC C,9 7,5 LC C,44 C LC,97,45 LC C 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 ys. 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. ys.6 przedsawia napięcie źródła prądu sałeg bserwwane na scylpie wejściu AC" a) i wejściu DC" b). b a ys. 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 (,4 s). Wlmierz elekrdynamiczny waże z klei warść ueczną napięcia wyjściweg, a w przypadku napięcia sałeg pprawną jeg b 6

7 warść. ównież niekóre z wlmierzy elekrmagneycznych mierzą pprawnie zarówn napięcia sałe, jak i zmienne niezby wyskich częsściach. V. Pmiary. D uzwjenia wórneg ransfrmara sieciweg umieszczneg na płyce mnażwej dłączyć scylp. sawić wejście kanału pmiarweg scylpu CH (CH) jak sałprądwe (przełącznik lub przyci rdzaju sprzężenia w płżeniu DC). Przeryswać przebieg napięcia z ekranu scylpu i zanwać warści współczynników dchylania pdsawy czasu i kanału wzmacniacza Y (parz WAGA na kńcu eg rzdziału). scylp ~ () CH (CH) ys. 7 kład d pmiaru przebiegu napięcia na wyjściu z uzwjenia wórneg ransfrmara.. Na płyce mnażwej płączyć elemeny ak, by pwsał prswnik jednpłówkwy. Dłączyć scylp d wyjścia prswnika jednpłówkweg. Wejście kanału pmiarweg scylpu jak pprzedni sałprądwe DC. Przeryswać przebieg napięcia z ekranu scylpu. scylp ~ () CH (CH) ys. 8 kład d pmiaru przebiegu napięcia na wyjściu prswnika jednpłówkweg. Zmienić usawienie przełącznika (przyciu) DC w płżenie AC. Zanwać przesunięcie w pinie (w cm lub V) płżenia dwlneg punku przebiegu na ekranie (np punku maksymalnej ampliudzie). a zmiana napięcia w V jes warścią ładwej sałej przebiegu : D[cm] =. Dłączyć d wyjścia prswnika kndensar C ( µf, µf), by pwsał filr pjemnściwy. Przełącznik rdzaju sprzężenia usawić pnwnie w płżeniu DC. Pdbnie jak pprzedni przeryswać przebieg napięcia z ekranu scylpu. 7

8 scylp ~ C () CH (CH) ys. 9 kład d pmiaru przebiegu napięcia na wyjściu prswnika jednpłówkweg z filrem pjemnściwym 4. Dłączyć d wyjścia prswnika jednpłówkweg zw. filr π (zmnwany z elemenów znajdujących się na płyce mnażwej). Wejście kanału pmiarweg scylpu usawić w płżeniu sałprądwym czyli DC. Przeryswać przebieg napięcia z ekranu scylpu. L scylp ~ C C () CH (CH) ys. kład d pmiaru przebiegu napięcia na wyjściu prswnika jednpłówkweg z filrem pjemnściw-indukcyjnym ypu π. 5. Na płyce mnażwej płączyć elemeny ak, by pwsał prswnik dwupłówkwy. Dłączyć scylp d wyjścia prswnika dwupłówkweg. Wejście kanału pmiarweg scylpu usawić w płżeniu sałprądwym (przełącznik w płżeniu DC). Przeryswać przebieg napięcia z ekranu scylpu. () d kanału pmiarweg scylpu CH (CH) ys. kład d pmiaru przebiegu napięcia na wyjściu prswnika dwupłówkweg. Zmierzyć dla prswnika dwupłówkweg ładwą sałą przebiegu napięcia medą pisaną w punkcie V.. Przełączamy usawienie sałprądwe kanału pmiarweg CH (CH) na zmiennprądwe AC i nujemy przesunięcie brazu w pinie w cm lub V: D[cm] = 6. Dłączyć d wyjścia prswnika dwupłówkweg kndensar C ( µf, µf), ak, by pwsał filr pjemnściwy. Wejście kanału pmiarweg scylpu usawić na sałprądwe przełącznik w płżeniu DC. 8

9 C () d kanału pmiarweg scylpu CH (CH) ys. kład d pmiaru przebiegu napięcia na wyjściu prswnika dwupłówkweg z filrem pjemnściwym. WAGA: Osie wykresów pisać warściami współczynników dchylania spisanych z dpwiednich pkręeł scylpu: ś X (ś czasu) warść współczynnika dchylania usawina na pkręle pdsawy czasu (w jednskach czas/cm), ś Y warść współczynnika dchylania kanału pmiarweg CH (CH) (w V/cm). Brak znajmści współczynników uniemżliwi pis przebiegów w jednskach czasu i napięcia. VI. Opracwanie wyników.. Na pdsawie przeryswanych przebiegów napięć () pdać: ampliudę napięcia na wyjściu uzwjenia wórneg ransfrmara: = ; kres zmian napięcia i jeg częsliwść: = ; f = ; kres zmian i częsliwść zmian napięcia na wyjściu prswnika dwupłówkweg: ' = ; f ' = ; ampliudę na wyjściu prswnika jednpłówkweg i dwupłówkweg: = ; = ; Czy są akie same i równe? ładwą sałą napięcia na wyjściu prswnika jednpłówkweg i dwupłówkweg: = ; = ;. Obliczyć warść ueczną napięcia dla prswnika jednpłówkweg i dwupłówkweg wykrzysując relację między warścią a [wzry (8) i ()].. Obliczyć warść ueczną napięcia ęnień dla prswnika jedn- i dwupłówkweg z relacji : dla prswnika jednpłówkweg = ( ), dla prswnika dwupłówkweg = ( ), 4. Obliczyć warści współczynników ęnień dla bu prswników ze wzru (): k = ; k = ;, k= ; 5. Prównać warści rzymanych ładwych sałych i współczynników ęnień k z warściami wynikającymi z erii. 9