Prostowniki ogarnijtemat.com, SiMR inżynierskie, Semestr 3, Elektra 2, NOTATKI

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
KOLEGIUM KARKONOSKIE
w Jeleniej Górze
Laboratorium Układów Elektronicznych
Ćwiczenie nr 6
Prostowniki niesterowane i powielacze napi
ę
cia
Opracował dr inŜ. Józef Stanclik
Jelenia Góra, 2007
KOLEGIUM KARKONOSKIE w Jeleniej Górze, Laboratorium Układów Elektronicznych
Prostowniki niesterowane i powielacze napi
ę
cia
Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się ze schematami, zasadami działania,
właściwościami i sposobami pomiaru jednofazowych prostowników niesterowanych,
stosowanych w zasilaczach z transformatorami sieciowymi oraz w zasilaczach
impulsowych. Prostowniki te współpracują z transformatorami i róŜnymi filtrami tętnień.
Ćwiczenie obejmuje równieŜ badanie układów symetrycznego i niesymetrycznego
podwajacza napięcia.
Po wykonaniu ćwiczenia student będzie znał mierzone w ćwiczeniu podstawowe
charakterystyki prostowników (zaleŜności wyjściowego napięcia stałego i napięcia tętnień
od prądu wyjściowego) i wyznaczane na ich podstawie parametry. Ćwiczenie umoŜliwia
takŜe pomiary parametrów charakteryzujących warunki pracy elementów układów
prostowniczych (prąd maksymalny diody, prąd skuteczny uzwojeń transformatora, itp.),
co prowadzi do pogłębienia wiedzy dotyczącej tej klasy układów.
1. Wprowadzenie
Urządzenia elektroniczne są zasilane energią prądu stałego, uzyskiwaną z baterii
zasilających (baterie chemiczne, akumulatory, itp.) lub częściej z zasilaczy sieciowych. W
skład zasilacza zazwyczaj wchodzą: transformator, prostownik i filtr tętnień.
Transformator dopasowuje wartości napięcia sieci energetycznej i pobieranego prądu do
Ŝądanej wartości napięcia i prądu stałego na wyjściu zasilacza, zapewniając jednocześnie
izolację galwaniczną obu obwodów. W zasilaczach impulsowych transformator spełnia
podobną funkcję, jednak pracuje przy częstotliwości przełączania kluczy tranzystorowych
(zwykle od kilkunastu do kilkuset kiloherców, a nie 50, 60, czy 400 Hz, jak w przypadku
zasilaczy sieciowych). Zbudowany z diod prostownik niesterowany słuŜy do zamiany
prądu przemiennego na jednokierunkowy o niezerowej wartości średniej (składowej
stałej), choć zawierający zwykle znaczną składową zmienną (tętnienia). Zmniejszenie
składowej zmiennej do akceptowalnego poziomu zapewnia filtr tętnień. Typ elementu
reaktancyjnego na wejściu filtru wpływa w zasadnicznym stopniu na warunki pracy diod
prostowniczych i transformatora.
Układy prostownicze moŜna podzielić na: jednofazowe i wielofazowe. Zasilacze
z prostownikami wielofazowymi (zasilanymi z trójfazowej sieci energetycznej) są
stosowane wtedy, gdy moc prądu stałego przekracza kilkaset watów. Układów takich,
podobnie jak zasilaczy z prostownikami sterowanymi, niniejsze ćwiczenie nie obejmuje.
Pominięte jest tu równieŜ badanie zasilaczy z obciąŜeniem rezystancyjnym.
W ćwiczeniu są badane podstawowe układy prostownicze jednofazowe z filtrami
tętnień: pojemnościowym, indukcyjnym, indukcyjno-pojemnościowym i filtrami
złoŜonymi, ze szczególnym uwzględnieniem pomiarów przebiegów czasowych prądów
i napięć oraz parametrów charakteryzujących warunki pracy elementów zasilaczy.
2
 KOLEGIUM KARKONOSKIE w Jeleniej Górze, Laboratorium Układów Elektronicznych
1.1. Parametry układów prostowniczych
Właściwości zasilaczy sieciowych są charakteryzowane przez wymienione niŜej
parametry i charakterystyki:
- napięcie wyjściowe
U
wy
przy maksymalnym prądzie wyjściowym
I
wy
max
,
- współczynnik wykorzystania napięciowego (sprawność napięciowa)
U
U
wy
h
u
=
,
(1.1)
2
m
gdzie
U
2
m
to amplituda napięcia uzwojenia wtórnego transformatora,
- rezystancja wyjściowa
dU
dI
wy
r
= -
,
(1.2)
wy
wy
- napięcie tętnień
U
t
,
- współczynnik tętnień
U
U
t
wy
k
=
(1.3)
t
Napięciem wyjściowym jest składowa stała (wartość średnia), zaś napięciem tętnień -
amplituda składowej zmiennej napięcia na obciąŜeniu zasilacza. W literaturze są równieŜ
spotykane inne określenia napięcia tętnień: moŜe to być wartość skuteczna, amplituda
pierwszej harmonicznej, wartość międzyszczytowa, itp. składowej zmiennej napięcia na
zaciskach wyjściowych zasilacza.
Wymienione parametry są funkcjami prądu wyjściowego zasilacza. ZaleŜności te
przedstawia się zwykle w formie wykresów
(
)
U
=
f
I
(charakterystyki obciąŜenio-
wy
wy
(
)
(
)
(
)
(
)
wej) i
U
=
f
I
, czasem równieŜ
h
u
=
f
I
,
r
=
f
I
i
k
=
f
I
.
t
wy
wy
wy
wy
t
wy
Typowy przebieg podstawowych charakterystyk zasilacza pokazano na rys. 1.1.
(a)
(b)
U
U
wy
t
U
wy max
C
U
wy
LC
L
I
I
0
0
wy
wy
I*
I
wy max
I
wy max
Rys. 1.1. Charakterystyka obciąŜeniowa (a) i zaleŜność napięcia tętnień od prądu
wyjściowego (b) zasilacza z filtrem pojemnościowym (C), indukcyjnym (L)
i indukcyjno-pojemnościowym (LC)
3
 KOLEGIUM KARKONOSKIE w Jeleniej Górze, Laboratorium Układów Elektronicznych
ZaleŜność od prądu wyjściowego: sprawności napięciowej ma podobny przebieg do
pokazanego na rys. 1.1a, zaś współczynnika tętnień (z róŜnymi filtrami) - podobny do
przebiegów pokazanych na rys. 1.1b.
Wartość średnia prądu diody
I
D
śr
(związanego z prądem wyjściowym i liczbą faz
m
I
wy
prostownika zaleŜnością
I
śr
=
) odniesiona do wartości skutecznej prądu uzwojenia
D
m
wtórnego
I
2
, nosi nazwę sprawności prądowej układu prostowniczego
I
mI
wy
h
i
=
.
(1.4)
2
Sprawność prądowa stanowi podstawę do wyznaczenia wartości skutecznej prądu
uzwojenia wtórnego transformatora. Podobnie sprawność napięciowa moŜe być uŜyta do
wyznaczenia
wartości
skutecznej
napięcia
uzwojenia
wtórnego
transformatora
w procedurze projektowania układu prostowniczego.
Stosunek
prądu
maksymalnego
diody
I
D
max
do
jej
prądu średniego
jest
współczynnikiem kształtu prądu
m
I
D
max
k
=
(1.5)
i
I
wy
Współczynnik kształtu słuŜy do wyznaczenia maksymalnego, powtarzalnego prądu diody
I
D
max
. Pozostałe wielkości, określające warunki pracy diody prostowniczej, potrzebne do
projektowania układu prostowniczego to:
- napięcie zwrotne
U
R
(maksymalne napięcie na diodzie spolaryzowanej zaporowo),
- prąd udarowy
I
FM
(jednorazowy, maksymalny prąd, który moŜe płynąć przez diodę
tuŜ po włączeniu zasilacza).
1.2. Prostowniki z filtrami o wej
ś
ciu pojemno
ś
ciowym
Dołączenie kondensatora równolegle do zacisków wyjściowych układu
prostownikowego prowadzi do zmniejszenia napięcia tętnień, dzięki czemu zasilacz moŜe
być przydatny do zastosowania w urządzeniach elektronicznych. Energia gromadzona
w kondensatorze podczas przewodzenia diod prostowniczych podtrzymuje przepływ
prądu w obciąŜeniu w czasie, gdy diody są spolaryzowane zaporowo. Prostowniki
z pojemnościowym filtrem tętnień (z kondensatorem zbiorczym) są powszechnie
stosowane w zasilaczach sieciowych mniejszej mocy (do około 100 W) o stosunkowo
duŜym napięciu i małym prądzie.
Schemat zasilacza z prostownikiem jednopołówkowym i filtrem pojemnościowym
pokazano na rys. 1.2, zaś rysunek 1.3 przedstawia przebiegi czasowe napięć i prądów
w układzie. Gdy napięcie uzwojenia wtórnego transformatora
( )
U
t
przewyŜsza napięcie
2
( )
wyjściowe
wy
, przez diodę płynie w czasie
t
1
prąd, który ładuje kondensator do
wartości maksymalnej
U
U
t
»
2
U
-
U
ze stałą czasową
R C
(
U
F
jest spadkiem
wy
max
2
F
s
4
 KOLEGIUM KARKONOSKIE w Jeleniej Górze, Laboratorium Układów Elektronicznych
napięcia na przewodzącej diodzie). Rezystancja szeregowa
R
s
jest sumą rezystancji drogi
ładowania kondensatora: rezystancji transformatora
R
t
i diody
R
D
. Rezystancja
transformatora jest dana wzorem
R
n
1
2
R
=
R
+
(1.6)
t
2
gdzie
R
1
i
R
2
są rezystancjami nagrzanych uzwojeń pierwotnego i wtórnego, a
n
jest
przekładnią transformatora. W przeciągu czasu
t
2
, gdy napięcie uzwojenia wtórnego jest
mniejsze od napięcia wyjściowego,
prąd przez diodę nie płynie i kondensator rozładowuje
się do wartości minimalnej napięcia wyjściowego
U
=
U
-
U
pep
ze stałą
min
max
wy
wy
t
czasową
R C
.
L
D
I
2
I
D
I
wy
I
1
C
U
wy
U
2
RL
U
1
Rys. 1.2. Prostownik jednopołówkowy z filtrem pojemnościowym
U
tpep
U
wymax
U
wymin
U (t)
wy
U (t)
2
U
R
I (t)
D
4
p
2
0
w
t
w
w
t
1
t
2
Rys. 1.3. Przebiegi czasowe napięć i prądów w prostowniku jednopołówkowym
z filtrem pojemnościowym
Działanie prostowników: dwupołówkowego (schemat na rys. 1.4) i mostkowego,
zwanego układem Graetza (rys. 1.5), jest podobne do opisanego, z tym, Ŝe ładowanie
kondensatora ma miejsce dwukrotnie częściej (w kaŜdej połowie okresu). Dlatego oba te
układy moŜna traktować jako prostowniki dwufazowe (
m
= 2). W prostowniku
dwupołówkowym diody
D
1 i
D
2 przewodzą na przemian prąd odpowiednich połówek
uzwojenia wtórnego transformatora. Na rysunku 1.6 pokazano przebiegi czasowe napięć
i prądów w układzie.
5
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]