UKŁADY ELEKTRONICZNE Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Badanie zasilacza niestabilizowanego Laboratorium Układów Elektronicznych Poznań 2008
1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z problematyką otrzymywania napięcia stałego o możliwie małej zawartości składowych zmiennych (tętnień) z napięcia przemiennego sieci energetycznej. Zakres ćwiczenia obejmuje badanie charakterystyk obciążenia oraz tętnień różnych typów zasilaczy i ocenę ich jakości. 2. Wprowadzenie 2.1. Układy prostownicze Większość zasilaczy sieciowych składa się z czterech podstawowych członów: transformatora, prostownika i filtru oraz zespołu zabezpieczeń. Stosowane są również konstrukcje bez transformatora, w których prostownik połączony jest bezpośrednio z siecią energetyczną. W zależności od potrzeb wykorzystuje się zasilanie jednofazowe lub przy większych mocach trójfazowe. W układach jednofazowych stosowane są układy prostownicze jednopołówkowe wykorzystujące jedną diodę prostowniczą i dwupołówkowe dwudiodowe i mostkowe (Graetza). Układy jednopołówkowe stosowane są dla małych prądów i często dla wysokich napięć. Jedyną ich zaletą jest wykorzystanie tylko jednej diody ważne w układach wysokonapięciowych. Podstawowymi wadami są natomiast częstotliwość tętnień równa częstotliwości sieci zasilającej (50 Hz) oraz duże obciążenie transformatora, zwłaszcza przy typowym dla tego układu obciążeniu prostownika pojemnością. Powoduje to niską sprawność i trudności z późniejszą filtracją tętnień (składowej zmiennej napięcia wyjściowego). Również dioda musi mieć wysokie napięcie wsteczne U R określone wzorem: U 2 2 (1) R U we gdzie U we to napięcie na wejściu prostownika. Przykładowo dla prostownika zasilanego bezpośrednio z napięcia sieciowego 230 V teoretycznie wymagane minimalne napięcie wsteczne diody wynosi 651 V, a praktycznie ze względu na przepięcia i tolerancję napięcia sieciowego minimum 800 V. Dla większych prądów stosowane są układy dwupołówkowe. Ich podstawową zaletą jest dwukrotnie większa częstotliwość tętnień niż napięcia zasilającego. Układ dwudiodowy wymaga transformatora z dzielonym uzwojeniem wtórnym, a napięcie wsteczne na diodach jest takie same, jak w prostowniku jednopołówkowym. Uzwojenie wtórne transformatora musi być podobnie jak poprzednio przewymiarowane prądowo ze względu na niekorzystny współczynnik kształtu prądu. Układ ten obecnie jest rzadko stosowany, jedynie dla niskich napięć (do kilkunastu V) ze względu na mniejszy niż w mostku spadek napięcia na diodach. Dawniej był często stosowany w prostownikach lampowych. Obecnie najczęściej stosowanym układem prostowniczym jest mostek Graetza. Zapewnia on optymalne wykorzystanie mocy transformatora, a napięcie wsteczne na diodach wynosi połowę napięcia w układzie jednopołówkowym i dwupołówkowym dwudiodowym. Wadą jego jest konieczność użycia czterech diod, która obecnie nie ma większego znaczenia (istnieją scalone mostki Graetza). Wyjątek stanowią układy wysokonapięciowe. Pewną niedogodnością jest też brak wspólnej masy obwodu wejściowego i wyjściowego. Osobną klasą układów prostowniczych są powielacze napięcia. Stosowane są głównie dla otrzymywania wysokich napięć (rzędu kv), w innych zastosowaniach spotyka się czasem podwajacze napięcia, na przykład układ Delona wyróżniający się częstotliwością tętnień 100 Hz przy zasilaniu sieciowym. Jego budowa jest podobna do mostka Graetza, w którym dwie diody zastąpiono kondensatorami. 2
Wszystkie powielacze poza złożoną na ogół budową posiadają istotną wadę duży opór wewnętrzny i pobór dużego prądu impulsowego w stosunku do wartości wyjściowego prądu stałego. Dlatego też stosujemy je tylko w ostateczności. 2.2. Układy filtracyjne Celem układów filtracyjnych jest zmniejszenie napięcia tętnień do akceptowalnej przez użytkownika wartości. W badaniach najczęściej wykorzystujemy oscyloskopowy pomiar wartości międzyszczytowej napięcia tętnień Ut pp. Istotnym parametrem podawanym w danych technicznych zasilacza jest współczynnik tętnień w t będący stosunkiem napięcia tętnień do wartości średniej napięcia wyjściowego U DC. Definiuje go wzór: U tpp w t = (2) U DC Inną definicją określającą w jest stosunek skutecznej wartości napięcia tętnień U AC do wartości średniej napięcia wyjściowego U DC. Definiuje go wzór: 3 U AC w = (3) U DC Do filtracji wyprostowanego napięcia stosuje się filtry złożone z pojedynczego kondensatora, dławika lub układów LC. Jedynie dla bardzo małych prądów znajdują zastosowanie układy RC. W urządzeniach małej mocy (do kilkuset W) typowym rozwiązaniem jest zastosowanie pojedynczego kondensatora lub baterii kondensatorów połączonych równolegle. W układach wysokonapięciowych często stosuje się połączenie szeregowe kondensatorów, oczywiście z odpowiednimi opornikami wyrównawczymi. Wykorzystanie samego kondensatora do filtracji tętnień charakteryzuje się prostotą i niskim w porównaniu do układu z dławikiem ciężarem, umożliwia też otrzymanie napięcia stałego o wyższej wartości od wartości skutecznej napięcia zmiennego podawanego na prostownik. Podstawową wadą takiego rozwiązania jest pobieranie przez prostownik prądu impulsowego o znacznie wyższym natężeniu szczytowym od wyprostowanego prądu stałego. Powoduje to konieczność przewymiarowania transformatora zasilającego i często diod prostowniczych. Ponadto napięcie tętnień rośnie silnie ze wzrostem prądu obciążenia. Układ taki przy włączeniu pobiera duży prąd rozruchowy, co zmusza przy większej mocy do stosowania odpowiednich ograniczników. Układ filtracyjny z samym dławikiem stosowany jest rzadko, głównie w układach o dużych prądach niewymagających dokładnej filtracji tętnień. W takim układzie napięcie tętnień maleje ze wzrostem pobieranego prądu. Powyżej granicznego prądu obciążenia wyprostowane napięcie stałe jest mniejsze od wartości skutecznej wejściowego napięcia zmiennego i mało zależy od prądu. Również prąd pobierany przez prostownik charakteryzuje mniejsza wartość szczytowa w porównaniu z układem z kondensatorem, co pozwala na lepsze wykorzystanie transformatora zasilającego. Wadą układu filtracyjnego z dławikiem jest większy ciężar wynikający z obecności dławika oraz konieczność zapewnienia pewnego minimalnego prądu obciążenia dla poprawnej pracy. Najczęstsze jego zastosowania to urządzenia przemysłowe - spawarki, urządzenia do ładowania akumulatorów itp. Typowym rozwiązaniem dla filtracji tętnień w urządzeniach dużej mocy jest zastosowanie układu LC z dławikiem od strony prostownika. Układ ten daje wyjątkowo małe tętnienia słabo zależne od pobieranego prądu. Pozostałe jego cechy są podobne do układu z samym dławikiem. W układzie tym czasami stosuje się zbocznikowanie dławika kondensatorem o pojemności dobranej
do rezonansu dla częstotliwości pierwszej (najsilniejszej) harmonicznej tętnień typowo 100 Hz. Daje to dalszą redukcję tętnień, o ile indukcyjność dławika jest wystarczająca i mało zależna od zmian prądu obciążenia. Dodatkowy kondensator rezonansowy musi mieć pojemność dużo mniejszą od pojemności kondensatora za dławikiem. W typowych rozwiązaniach nie stosuje się filtru LC z wejściem od strony kondensatora, ani filtru typu Π z dławikiem i dwoma kondensatorami ze względu na sumowanie się wad poprzednich układów. Filtr typu Π jest rzadko stosowany z dodatkowym dławikiem tam, gdzie należy wyjątkowo skutecznie odfiltrować tętnienia przy dużym prądzie obciążenia. W tym przypadku układ zawiera dwa dławiki, a wyjście z prostownika połączone jest z pierwszym dławikiem. Dalej podłączony jest filtr typu Π. Uwaga: Część schematów opisanych tu układów przedstawiono na rysunkach w dalszej części tej instrukcji. Przekładnik prądowy konieczny jest tylko ze względu na stabilność procesu symulacji. 2.3. Podstawowe parametry charakteryzujące niestabilizowany układ zasilający znamionowe napięcie zasilania, znamionowe wartości napięcia wyjściowego i maksymalnego prądu obciążenia, zależność napięcia wyjściowego od prądu obciążenia, dynamiczna rezystancja wewnętrzna mierzona dla kilku prądów obciążenia (min. dla 3), zależność wartości współczynnika tętnień od prądu wyjściowego, częstotliwość tętnień. 4
3. Badania kształtu napięcia wyprostowanego dwupołówkowo Zestaw pomiarowy ważny dla wszystkich układów badawczych układ symulacyjny badanego zasilacza, przekładnik prądowy 1:1, wirtualny oscyloskop, wirtualne multimetry, obciążenie regulowane w zakresie 1 101 Ω. Przebieg ćwiczenia 1. Uruchomić program MULTISIM. Złożyć układ (rys. 1) kierując się wskazówkami prowadzącego. Rys.1 Schemat układu pomiarowego prostownik dwupołówkowy. 2. Zadeklarować przekładnię transformatora sieciowego 10:1, przekładnika 1:1. Indukcyjność uzwojenia pierwotnego transformatora sieciowego 10H, przekładnika 1H, współczynnik sprzężenia 1. 3. Ustawić multimetry XMM1 jako amperomierz AC, XMM2 jako amperomierz DC, XMM3 przełączać jako woltomierz DC i AC. 4. Zaobserwować zmiany sygnału wyjściowego przy zmianie wartości rezystancji R2 dla wartości z początku, środka i końca zakresu zmian. 5. Odczytać i zapisać wskazania multimetrów. Oszacować współczynnik tętnień według wzoru 3. 5
4. Badanie układu dwupołówkowego z kondensatorem 1. Połączyć układ pomiarowy zgodne ze schematem z rys. 2. 2. Parametry transformatora, przekładnika oraz multimetrów jak w ćwiczeniu (1). 3. Zmieniając wartość rezystora R2 od maksymalnej do minimalnej notować wskazania multimetrów. Wykonać minimum 12 pomiarów. 4. Zaobserwować zmiany przebiegu na oscyloskopie. Wykonać kilka zrzutów ekranu dla charakterystycznych sygnałów. 5. Zmienić pojemność kondensatora C1 na 10 mf. Powtórzyć pomiary. 6. Uzyskane wyniki pomiarowe przedstawić graficznie na dwóch wykresach. Na jednym z nich podać zależność prądu multimetru XMM1, stosunku prądów multimetrów XMM1 do XMM2 i napięcia wyjściowego DC od prądu obciążenia (XMM2); na drugim zależność współczynnika tętnień również od prądu obciążenia (XMM2). Wyniki podać dla obu wartości kondensatorów. Rys.2 Schemat układu pomiarowego prostownik dwupołówkowy z pojemnością. 7. Wyliczyć rezystancję dynamiczną dla trzech wartości prądu obciążenia (min., max. i pośredniej). Wyniki podać w tabelce dla obu kondensatorów. 6
5. Badanie układu dwupołówkowego z dławikiem 1. Połączyć układ pomiarowy zgodne ze schematem z rys. 3. 2. Parametry transformatora, przekładnika oraz multimetrów jak w ćwiczeniu (1). 3. Zmieniając wartość rezystora R2 od maksymalnej do minimalnej notować wskazania multimetrów. Wykonać minimum 12 pomiarów. 4. Zaobserwować zmiany przebiegu na oscyloskopie. Wykonać kilka zrzutów ekranu dla charakterystycznych sygnałów. 5. Uzyskane wyniki pomiarowe przedstawić graficznie na dwóch wykresach. Na jednym z nich podać zależność prądu multimetru XMM1, stosunku prądów multimetrów XMM1 do XMM2 i napięcia wyjściowego DC od prądu obciążenia (XMM2); na drugim zależność współczynnika tętnień również od prądu obciążenia (XMM2). 6. Wyliczyć rezystancję dynamiczną dla trzech wartości prądu obciążenia (min., max. i pośredniej). Wyniki podać w tabelce. Rys.3 Schemat układu pomiarowego prostownik dwupołówkowy z indukcyjnością. 7
6. Badanie układu dwupołówkowego z filtrem LC 1. Połączyć układ pomiarowy zgodne ze schematem z rys.4. Rys. 4. Schemat układu pomiarowego prostownik dwupołówkowy z filtrem LC. 2. Parametry transformatora, przekładnika oraz multimetrów jak w ćwiczeniu (1). 3. Zmieniając wartość rezystora R2 od maksymalnej do minimalnej notować wskazania multimetrów. Wykonać minimum 12 pomiarów. 4. Zaobserwować zmiany przebiegu na oscyloskopie. Wykonać kilka zrzutów ekranu dla charakterystycznych sygnałów. Zaobserwować kształt tętnień i ich amplitudę. Porównać z wynikami dla poprzednich układów. 5. Zmienić pojemność kondensatora C1 na 1mF. Powtórzyć pomiary. 6. Uzyskane wyniki pomiarowe przedstawić graficznie na dwóch wykresach. Na jednym z nich podać zależność prądu multimetru XMM1, stosunku prądów multimetrów XMM1 do XMM2 i napięcia wyjściowego DC od prądu obciążenia (XMM2); na drugim zależność współczynnika tętnień również od prądu obciążenia (XMM2). Wyniki podać dla obu wartości kondensatorów. 7. Wyliczyć rezystancję dynamiczną dla trzech wartości prądu obciążenia (min., max. i pośredniej). Wyniki podać w tabelce dla obu kondensatorów. 8
7. Sprawozdanie W sprawozdaniu należy zamieścić: wyniki pomiarów, wykresy pomierzonych i obliczonych wartości, tabelki z wyliczonymi parametrami, zrzuty z ekranu reprezentatywnych przebiegów napięcia wyjściowego z oscyloskopu, uzasadnienia otrzymanych wyników, porównanie badanych układów między sobą, wnioski. Literatura M. Nadachowski, Z. Kulka: Analogowe Układy Scalone, WKiŁ, W-wa, 1980 P. Horowitz, W. Hill: Sztuka Elektroniki, tom 1, WKiŁ, W-wa, 1995 P. Górecki: Wzmacniacze operacyjne, WNT, 2002 U.Tietze, Ch.Schenk: Układy półprzewodnikowe, WNT 2008 9