KŁADY PROSJĄCE I. Cel ćwiczenia: pomiar podsawowych paramerów prosownika jedno- i dwupołówkowego oraz najprosszych filrów. II. Przyrządy: płyka monaŝowa, wolomierz magneoelekryczny, wolomierz elekrodynamiczny lub elekromagneyczny, oscyloskop III. Lieraura:. E. Norman Lurch, Podsawy echniki elekronicznej, Warszawa 965.. R. Śledziewski, Elekronika dla fizyków, Warszawa 978 IV. Wprowadzenie. Źródłami napięć sałych w urządzeniach sacjonarnych są zw. zasilacze sabilizowane. proszczony schema blokowy akiego zasilacza przedsawia rys. ~V P F S wyjście Rys.. Schema blokowy zasilacza sabilizowanego: - ransformaor, P - prosownik, F - filr, S - układ sabilizacji regulacji napięcia wyjściowego. ransformaor obniŝa (najczęściej) napięcie sieci V, a prosownik P zamienia prąd przemienny w prąd zmienny płynący wyłącznie w jednym kierunku (prąd pulsujący). Filr F "wygładza" prąd zmienny i na jego wyjściu, o ile jes o filr o duŝej efekywności, orzymujemy napięcie prakycznie sałe w czasie. Niewielkie zmiany okresowe ego napięcia nazywamy ęnieniami. Zadaniem układu sabilizacji jes auomayczne urzymanie sałej warości napięcia wyjściowego niezaleŝnie od zmian (w pewnych granicach) napięcia sieci. IV.. Składowa sała, składowa zmienna i współczynnik ęnień. Oznaczmy przez () warość napięcia w chwili na wyjściu prosownika lub filru. Warością średnią lub składową sałą napięcia wyjściowego () nazywamy warość wyraŝenia = ()d gdzie jes okresem funkcji (). Napięcie (), kórego warość w danej chwili równa jes róŝnic warości chwilowej napięcia wyjściowego () i warości średniej napięcia wyjściowego () = () nazywamy składową zmienną napięcia wyjściowego. Współczynnikiem ęnień nazywamy sosunek warości skuecznej składowej zmiennej do warości składowej sałej ( ) ( ) I PRACOWNIA FIZYCZNA
k =, sk ( 3 ) gdzie, sk = ( 4 ) ()d Współczynnik ęnień k jes miarą efekywności filru. Warości skueczne napięcia wyjściowego i składowej zmiennej spełniają zaleŝność sk = +, sk ZaleŜność (5) wynika z definicji warości skuecznej i średniej. [ W lieraurze moŝna spokać oznaczenie warości skuecznej indeksem RMS ( RMS ). Jes o skró angielskiego erminu "średni pierwiasek kwadraowy".] ( 5 ) IV.. Prosownik jednopołówkowy (półfalowy) i dwupołówkowy. Prosownik jednopołówkowy. Najprosszym prosownikiem jes pojedyncza dioda półprzewodnikowa, przez kórą zaczyna płynąć prąd w kierunku przewodzenia, gdy róŝnice poencjałów między wyprowadzeniami elekrycznymi obszarów "p" i "n" półprzewodnika saje się większa od napięcia dyfuzyjnego d niespolaryzowanego zewnęrznym napięciem złącza p-n. W momencie, gdy róŝnica poencjałów ponownie osiąga warość napięcia dyfuzyjnego d, w obwodzie przesaje płynąć prąd w kierunku przewodzenia. Po obniŝeniu się napięcia poniŝej warości d przez złącze płynie prąd w kierunku zaporowym, ale naęŝenie ego prądu jes mniejsze od naęŝenia prądu przewodzenia o kilka rzędów wielkości. Ampliuda napięcia przemiennego w akim obwodzie musi być mniejsza od warości bezwzględnej napięcia przebicia lawinowego diody. Schema prosownika jednopołówkowego przedsawia rys.a. ~ we R () ~ we () R a) b) we ~ we R () c) Rys.. a) Prosownik jednopołówkowy, b) dwupołówkowy w układzie moskowym (Graeza), c) dwupołówkowy z dzielonym uzwojeniem ransformaora. I PRACOWNIA FIZYCZNA
Dla idealnego prosownika o zerowym oporze elekrycznym w sanie przewodzenia i nieskończonym oporze w sanie spolaryzowania zaporowego oraz przy załoŝeniu, Ŝe d jes bardzo małe ( d = ) napięcie wyjściowe () będzie równe () = o sin(ω) dla we () > i ( 6 ) () = dla we () <. Przebieg napięcia na wyjściu prosownika jednopołówkowego przedsawia rys.3a. a) o sk 3 b) Rys.3. Napięcie wyjściowe z prosownika jednopołówkowego a) i dwupołówkowego b). Warość średnia przedsawionego napięcia wynosi zaś warość skueczna = o sk = o sin ωd = o π sin ωd = o 3, ( 7 ), ( 8 ) gdzie jes okresem napięcia przemiennego a o ampliudą. [Dla napięcia przemiennego sinusoidalnego warość skueczna jes równa o / ość średnia wynosi zero]. Prosownik dwupołówkowy., naomias war- Zasadniczą wadą prosownika jednopołówkowego jes o, Ŝe przewodzi on co najwyŝej w czasie połowy okresu napięcia przemiennego. Wady ej pozbawiony jes prosownik dwupołówkowy, przedsawiony na rysunku b i c. Dla idealnych elemenów prosujących warość średnia napięcia pulsującego na wyjściu prosownika dwupołówkowego jes równa a warość skueczna = o π, ( 9 ) 3 I PRACOWNIA FIZYCZNA
sk = o ( ) Przebieg () pokazany na rysunku 4c reprezenuje wypadkowy przebieg napięcia na wyjściu prosownika jednopołówkowego; jes składową zmienną ( rys. 4b ), jes składową sałą (rys. 4a ) ego napięcia zmiennego. a) b) c) () () Rys.4. Nakładanie się napięcia zmiennego i sałego na wyjściu prosownika. Skorzysajmy z zaleŝności (5) i obliczmy, sk ęnień, sk = sk gdzie sk jes warością skueczną napięcia () na wyjściu prosownika lub filru. W przypadku prosownika jednopołówkowego mamy, sk = o o π, sk = o 4 π =, 386 o k pr =, sk k pr współczynnik ęnień prosownika Dla prosownika dwupołówkowego mamy =, 386 o, 38 o =,, sk = o 4 π =, 37 o k pr =, sk =, 48 e same zaleŝności uzyskać moŝemy z definicji warości skuecznej ( 3 ). Np. przebieg składowej zmiennej na rysunku 4b dany jes funkcją 4 I PRACOWNIA FIZYCZNA
= o sin ω o dla < < =, sk Wykonując całkowanie orzymamy dla = osin ω +, sk = 4 4 π o =, 386 o < < abela I zawiera charakerysyczne paramery obu prosowników. abela I, sk Rodzaj prosownika, sk k pr = Prosownik jednopołówkowy o π,386 o, Prosownik dwupołówkowy o π,37 o,48 IV.3. Filry. Jak wspomniano we wprowadzeniu, do zmniejszania ęnień napięcia wyjściowego słuŝą filry. abela II współczynnik ęnień Jednoski Ω, µf, H Filr C L C R C Filr LC Filr LC ypu π L R R C C ~,88. RC 3,9 LC 7,5. LC C R 3 ~,44. 3 RC,97 LC 3,45. LC C R 3 JeŜeli współczynnik ęnień prosownika wynosi k pr, a współczynnik ęnień filru ma warość k fil, wówczas, sumaryczny współczynnik ęnień k jes równy 5 I PRACOWNIA FIZYCZNA
k = k pr k fil abela II zawiera eoreyczne współczynniki ęnień, obliczone dla współpracy prosowników jedno- i dwupołówkowych z wyszczególnionymi rodzajami filrów. Najpełniejszy obraz pracy prosownika wraz z filrem uzyskamy posługując się oscyloskopem. JeŜeli wyjście układu prosującego połączymy z wejściem zmiennoprądowym ( oznaczane przez "~" lub "AC" ) oscyloskopu, o na ekranie orzymamy wykres wyłącznie składowej zmiennej, gdyŝ kondensaor C, włączony między gniazdo wejściowe a wzmacniacz odchylania pionowego Y (parz insrukcja "Podsawowe mierniki elekryczne i elekroniczne") " odenie" składową sałą, co ilusruje rys.5a. a) b) Rys.5 Napięcie na wyjściu układu prosującego obserwowane na oscyloskopie z wejściem zmiennoprądowym "~" a) i z wejściem sałoprądowym "= " b). Przełączając wejście zmiennoprądowe na sałoprądowe (oznaczane przez " = " lub "DC") obserwujemy przesunięcie wykresu składowej zmiennej o odcinek odpowiadający składowej sałej, czyli warości średniej napięcia wyjściowego badanego układu (rys.5b). Zmiana rodzaju wejścia oscyloskopu polega na zwarciu ze sobą okładek kondensaora szeregowego w orze odchylania pionowego oscyloskopu. Rys.6 przedsawia napięcie źródła prądu sałego o obserwowane na oscyloskopie o wejściu "AC" a) i wejściu " DC " b). o a) b) Rys. 6 Napięcie źródła prądu sałego o obserwowane na oscyloskopie o wejściu "AC" a) i wejściu " DC " b) W przeciwieńswie do oscyloskopu róŝne ypy wolomierzy analogowych będą wskazywały róŝne warości napięcia na wyjściu układu prosującego. I ak wolomierz magneoelekryczny, przeznaczony do pomiarów napięć sałych, a więc nie wyposaŝony w prosownik, wskaŝe warość składowej sałej. Sanie się ak w przypadku, gdy okres zmian napięcia będzie znacznie krószy od 6 I PRACOWNIA FIZYCZNA
okresu drgań własnych uzwojenia ruchomego (,4 - s ). Wolomierz elekrodynamiczny wskaŝe z kolei warość skueczną napięcia wyjściowego, a w przypadku napięcia sałego poprawną jego warość. RównieŜ niekóre z wolomierzy elekromagneycznych mierzą poprawnie zarówno napięcia sałe, jak i zmienne o niezby wysokich częsościach V. Pomiary.. Do źródła prądu sałego - V dołączyć równolegle wolomierz magneoelekryczny, wolomierz elekrodynamiczny lub elekromagneyczny i oscyloskop (rys.7). Wyznaczyć warość napięcia wskazywaną przez kaŝdy z ych przyrządów. symbol przyrządu magneoelekrycznego symbol przyrządu elekromagneycznego symbol przyrządu elekrodynamicznego We Y. V + _ V V Rys.7. Do wórnego uzwojenia ransformaora sieciowego płyki monaŝowej dołączyć równolegle oba wolomierze i oscyloskop (źródło napięcia sałego z rys.7 zasąpić ransformaorem sieciowym). Wyznaczyć: średnią warość napięcia (wolomierzem magneoelekrycznym i oscyloskopem), warość skueczną (obu wolomierzami i oscyloskopem) i ampliudę. 3. Połączyć przyrządy wg schemau przedsawionego na rys.8. Wykonać e same pomiary co poprzednio, a nasępnie powórzyć je dla prosownika dwupołówkowego. Wyniki z punków,, 3 zebrać w abeli III. We Y oscyloskopu ~V kω V V Rys.8 7 I PRACOWNIA FIZYCZNA
abela III Oscyloskop Miernik magneoelekryczny Miernik elekromag. Ampliuda [V] o Skład. sała [V] Obliczona warość sk [V] = [V] ~ [V] Warość skueczna [V] sk Zasilacz napięcia sałego -V Napięcie z uzwojenia wórnego Prosownik jednopołówkowy Prosownik dwupołówkowy 4. Za pomocą oscyloskopu zmierzyć warość składowej sałej (zanoować w abeli III). Naszkicować ( i zaznaczyć mierzone wielkości) zaleŝność składowej zmiennej od czasu na wyjściu kilku filrów (abela II) dołączonych do wyjścia prosownika jedno- i dwupołówkowego. Pomiary e sanowić będą podsawę do wyznaczenia warości współczynników ęnień. VI. Opracowanie wyników.. Porównać wyniki pomiarów ego samego napięcia sałego i przemiennego, wykonanych obu wolomierzami oraz oscyloskopem. W przypadku, gdy wyniki róŝnią się bardziej, niŝ wynikałoby o z klas przyrządów - uznać wolomierz elekrodynamiczny (elekromagneyczny) za przyrząd wzorcowy i obliczyć współczynnik skali dla pozosałych przyrządów: c = w m gdzie w napięcie zmierzone przyrządem wzorcowym, m napięcie zmierzone danym miernikiem. Nasępnie obliczyć poprawione warości pozosałych pomiarów wykonanych ymi przyrządami: warość poprawiona = współczynnik c * warość zmierzona. Porównać wyniki pomiarów składowej sałej i zmiennej napięcia na wyjściu prosownika jedno i dwupołówkowego. Ocenić, przy jakich rodzajach napięcia zmiennego wolomierz magneoelekryczny z prosownikiem mierzy poprawnie warość skueczną. 3. Obliczyć doświadczalne warości współczynników ęnień k = sk / (parz rozdz. VII) dla obu prosowników i wszyskich zbadanych filrów. Wyniki obliczeń porównać z przybliŝonymi warościami eoreycznymi, wynikającymi z przyoczonych w ablicy II wzorów. 4. Przeprowadzić dyskusję wyników. 8 I PRACOWNIA FIZYCZNA
VII. zupełnienie. Napięcie składowej zmiennej na wyjściu układu prosującego prąd przemienny, moŝna z wysarczającą dla celów prakycznych dokładnością, przedsawić w posaci przebiegu "rójkąnego" (rys.9). 3 4 a) b) Rys.9 Warość skueczna ak zmieniającego się w czasie napięcia dana jes nasępującym wzorem: i sk = + 3 3 sk = + 3 4 3 + 4 dla przebiegu z rysunku 9a 3 3 + 4 3 4 3 4 dla przebiegu z rys.9b. 9 I PRACOWNIA FIZYCZNA