Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Schemat układu prostownika dwupołówkowego wraz z przebiegami czasowymi napięcia źródła Ug i napięcia na rezystancji obciążenia RL [4]. Prostownik jednopołówkowy ...

Typologia: Streszczenia

2022/2023

Załadowany 24.02.2023

stokrotka80
stokrotka80 🇵🇱

4.5

(40)

247 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Ćwiczenie E13FT i więcej Streszczenia w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Politechnika Łódzka Instytut Fizyki Laboratorium elektroniki Ćwiczenie E13FT Zasilacze Wersja 1.1 (kwiecień 2018) Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 2 - Spis treści: 1. Cel ćwiczenia........................................................................................................................ 3 2. Zagrożenia ............................................................................................................................ 3 3. Wprowadzenie ...................................................................................................................... 3 4. Dostępna aparatura ............................................................................................................... 9 4.1. Moduły doświadczalne badanego zasilacza .................................................................... 9 4.2. Multimetry..................................................................................................................... 11 4.3. Oscyloskopy .................................................................................................................. 11 5. Przebieg doświadczenia...................................................................................................... 12 5.1. Część podstawowa ........................................................................................................ 13 5.2. Część rozszerzona ......................................................................................................... 15 6. Wskazówki do raportu........................................................................................................ 15 7. Literatura ............................................................................................................................ 16 7.1. Literatura podstawowa .................................................................................................. 16 7.2. Literatura uzupełniająca ................................................................................................ 16 8. Aneksy ................................................................................................................................ 16 A1. Tabela wartości elementów biernych ............................................................................ 16 Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 5 - Rys. 2. Schemat układu prostownika dwupołówkowego wraz z przebiegami czasowymi napięcia źródła Ug i napięcia na rezystancji obciążenia RL [4]. Prostownik jednopołówkowy, czy też dwupołówkowy, w takich układach jak przedstawione na rys. 1 i 2 nie mają w zasadzie praktycznego zastosowania gdyż pulsujące (tętniące) napięcie otrzymywane na wyjściu nie zmienia wprawdzie polaryzacji lecz charakteryzuje się bardzo dużymi zmianami wartości chwilowej – zmiany te są nazywane tętnieniami. Tętnienia napięcia wyjściowego pokazane na rys. 1 i 2 mają dużą amplitudę, która stanowi miarę odchylenia chwilowej wartości napięcia od wartości średniej (składowej stałej). Amplituda tętnień zależy od sposobu prostowania i np. w prostowniku dwupołówkowym (rys. 2) wynosi 67% składowej stałej. Większość urządzeń elektronicznych pracuje nieprawidłowo nawet przy małych tętnieniach i z tego powodu dąży się do odfiltrowania (eliminacji) tętnień. Ponieważ zadaniem zasilacza jest wytworzenie napięcia stałego, często zamiennie z pojęciem filtrowanie używa się pojęcia wygładzanie (np. aby otrzymać napięcie stałe co do wartości należy je wygładzić). Do tłumienia tętnień napięcia wyprostowanego stosuje się filtry dolnoprzepustowe. Filtry takie powinny przepuszczać składową stałą blokując jednocześnie składową zmienną, czyli tętnienia. Prostym filtrem dolnoprzepustowym jest kondensator elektrolityczny połączony z układem prostownika w sposób pokazany na rys. 3. Rys. 3. Schemat układu prostownika dwupołówkowego z prostym filtrem pojemnościowym wraz z przebiegami czasowymi napięcia na rezystancji obciążenia RL [4]. Źródłem napięcia zmiennego jest napięcie sieciowe obniżane przez transformator sieciowy. Kondensator filtrujący (wygładzający) C dołączony jest równolegle do obciążenia RL. Filtrowanie polega na tym, że kondensator ładuje się w czasie, gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze, a rozładowuje się w czasie, gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze. Szybkość rozładowywania zależy od stałej czasowej RL·C. Przebieg napięcia wyjściowego U przedstawiony jest na rys. 3. Kolorem czerwonym zaznaczony jest kształt napięcia na wyjściu prostownika bez kondensatora filtrującego C, a kolorem niebieskim napięcie na wyjściu z dołączonym kondensatorem. Napięcie tętnień równe jest ∆U. Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak, aby czas jaki upływa między następującymi po sobie doładowaniami kondensatora był znacznie mniejszy od stałej czasowej obwodu rozładowania. Można to opisać następującą zależnością: RL·C >> 1/f (1) ~230V Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 6 - gdzie f jest częstotliwością tętnień. W przypadku zastosowania bardzo dużej pojemności lub odłączenia rezystora RL, a więc gdy RL·C → ∞ tętnienia maleją do zera. Częstotliwość tętnień napięcia wyprostowanego przez prostownik jednopołówkowy jest taka sama jak częstotliwość napięcia sieci (50Hz), podczas gdy w prostownikach dwupołówkowych jest dwa razy większa od częstotliwości sieci (100Hz). Ma to duże znaczenie przy filtrowaniu tętnień, które jak wynika z wzoru (1) jest tym łatwiejsze, im większa jest częstotliwość tętnień. Przy większej częstotliwości tętnień wymaganą skuteczność filtracji osiągniemy zatem stosując filtr o mniejszych wartościach pojemności C, tzn. filtr mniejszy i najczęściej zarazem tańszy. Do tłumienia tętnień napięcia wyprostowanego wykorzystuje się także bardziej złożone obwody filtrów dolnoprzepustowych składających się z biernych elementów RLC. Ze względu na straty energii w rezystorach filtry RC są stosowane jedynie w zasilaczach małej mocy. W zasilaczach większej mocy są stosowane wyłącznie filtry LC. Miarą „dobroci filtru” jest współczynnik skuteczności zdefiniowany jako stosunek napięcia tętnień na wejściu do napięcia tętnień na wyjściu filtru. Można wykazać, że dla jednoczłonowego filtru LC współczynnik ten wynosi: b = ω2LC . (2) Skuteczność działania filtru LC jest więc tym większa, im większa jest indukcyjność dławika L i pojemność kondensatora C. Skuteczność rośnie także z kwadratem częstotliwości tętnień. Wynika stąd, że zwiększa się ona czterokrotnie, jeśli z prostowania jednopołówkowego przechodzimy na dwupołówkowe. Dalsze zwiększenie skuteczności filtrowania można osiągnąć przez włączenie dodatkowego kondensatora na wejście filtru LC. Dodatkowy kondensator wstępnie odfiltruje (wygładzi) napięcie wyprostowane przez prostownik. Zaletą filtrów z wejściem pojemnościowym jest to, że kondensator wejściowy ładuje się bardzo szybko do wartości szczytowej napięcia wyprostowanego, natomiast jego rozładowanie przebiega znacznie wolniej i dzięki temu składowa stała napięcia wyprostowanego w układzie z takim filtrem jest większa od składowej stałej napięcia nie filtrowanego. Wadą filtrów z wejściem pojemnościowym jest to, że po włączeniu zasilacza do sieci prąd ładowania kondensatora wejściowego jest bardzo duży. Wymaga to stosowania diod o większym dopuszczalnym prądzie przewodzenia. Ze względu na tę wadę filtry z wejściem pojemnościowym stosuje się przeważnie w zasilaczach małej mocy. Oprócz trudnych do wyeliminowania dużych tętnień występujących w prostowniku jednopołówkowym do jego wad zaliczyć można przepływ prądu jednokierunkowego przez wtórne uzwojenie transformatora. Składowa stała prądu wyprostowanego powoduje podmagnesowanie rdzenia transformatora sieciowego co znacznie pogarsza warunki jego pracy. Z tego powodu moc transformatora musi być znacznie większa niż mogłoby to wynikać z oszacowania mocy prądu stałego przekazywanej do układu zasilanego. Ogranicza to zastosowanie prostownika jednopołówkowego do zasilania układów małej mocy. Mostek Graetza zapewnia wprawdzie lepsze wykorzystanie transformatora sieciowego, lecz wymaga zastosowania czterech diod, co prowadzi do większych strat energii występujących jednocześnie na dwu diodach połączonych szeregowo. Pomiary wykonywane podczas ćwiczenia będą dotyczyły dwu układów: prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego, co schematycznie pokazano na rys. 4 i 5. Na wyjściu każdego z prostowników oprócz prostego filtru pojemnościowego dołączane będą także inne dolnoprzepustowe filtry pasywne, których zadaniem będzie tłumienie tętnień składowej zmiennej napięcia wyprostowanego. Wyjście filtru obciążane będzie skokowo regulowaną rezystancją. Pomiary polegać będą na obserwacji na ekranie oscyloskopu przebiegów zmiennych (sygnał wejściowy, wyprostowany, odfiltrowany) oraz wyznaczeniu za pomocą Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 7 - multimetrów wartości składowych stałych napięcia i natężenia prądu płynącego przez rezystancję obciążenia. Jeżeli układ prostownika z rys. 4 zostanie obciążony rezystorem RL, to kondensator C będzie rozładowywany przez ten rezystor tak długo dopóki nie zacznie przewodzić dioda. Kiedy natomiast chwilowe napięcie na wyjściu transformatora u0(t) będzie większe o UD (~0,7V) od chwilowego napięcia wyjściowego uwy(t) dioda zacznie przewodzić i kondensator C będzie wówczas ponownie ładowany do napięcia wyjściowego. Na rys. 4 przedstawione są przebiegi napięć i natężenia prądu w układzie prostownika jednopołówkowego. Krzywa koloru czerwonego przedstawia prąd transformatora doładowujący kondensator, kolorem zielonym został oznaczony przebieg napięcia wyjściowego; widać na nim zaznaczoną wartość międzyszczytową tętnień Utpp. Na przebiegu napięcia wyjściowego widać, że czas rozładowywania kondensatora jest znacznie dłuższy od czasu ładowania, a więc nawet przy niedużych obciążeniach kondensator będzie mocno rozładowywany i na wyjściu będą występować duże tętnienia. Zmiana wartości RL oraz C pozwala na weryfikację zależności opisanej wzorem (1). Wraz ze wzrostem iloczynu RL·C wielkość obserwowanych tętnień powinna maleć. Rys. 4. Układu prostownika jednopołówkowego z prostym filtrem pojemnościowym wraz z przebiegami czasowymi napięć i prądu diody [4]. W układzie prostownika dwupołówkowego pokazanym na rys. 5 uzyskuje się znacznie lepszy stosunek czasu rozładowania kondensatora do czasu ładowania niż w układzie jednopołówkowym, inaczej mówiąc przy tym samym obciążeniu czas rozładowywania kondensatora w układzie mostkowym jest znacznie krótszy niż w układzie jednopołówkowym. Efektem tego są mniejsze tętnienia napięcia wyjściowego. Rys. 5. Układu prostownika dwupołówkowego z prostym filtrem pojemnościowym wraz z przebiegami czasowymi napięć i prądu diody [4]. Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 10 - Wyboru dolnoprzepustowego filtru tłumiącego tętnienia napięcia wyprostowanego dokonuje się na panelu pokazanym na rys. 7. Y 1 Y 2 Dł 1 Dł 2 R 6 R 1 R 2 R 8 R 7 Y 5 R 5 R 3 Y 3 R 4 Y 4 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 Y 1 Y 2 Dł 1 Dł 2 R 6 R 1 R 2 R 8 R 7 Y 5 R 5 R 3 Y 3 R 4 Y 4 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 Rys. 7a. Prosty filtr pojemnościowy. Zwory zaznaczone kolorem czerwonym umieszczone są na stałe. Zwory zaznaczone kolorem zielonym należy kolejno załączać celem zwiększania pojemności filtru. Rys. 7b. Filtr LC typu Γ. Zwory zaznaczone kolorem czerwonym umieszczone są na stałe. Zwora zaznaczona kolorem niebieskim zwiera lub rozwiera dławik Dł2 zmniejszając lub zwiększając w ten sposób indukcyjność. Zwory zaznaczone kolorem zielonym należy kolejno załączać celem zwiększania pojemności filtru. Y 1 Y 2 Dł 1 Dł 2 R 6 R 1 R 2 R 8 R 7 Y 5 R 5 R 3 Y 3 R 4 Y 4 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 Y 1 Y 2 Dł 1 Dł 2 R 6 R 1 R 2 R 8 R 7 Y 5 R 5 R 3 Y 3 R 4 Y 4 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 Rys. 7c. Filtr LC typu Π. Zwory zaznaczone kolorem czerwonym umieszczone są na stałe. Zwora zaznaczona kolorem niebieskim zwiera lub rozwiera dławik Dł2 zmniejszając lub zwiększając w ten sposób indukcyjność. Zwory zaznaczone kolorem zielonym należy kolejno załączać celem zwiększania pojemności filtru. Rys. 7d. Filtr RC typu Π. Zwory zaznaczone kolorem czerwonym umieszczone są na stałe. Zwora zaznaczona kolorem niebieskim załącza trzy różne rezystancje filtru. Zwory zaznaczone kolorem zielonym należy kolejno załączać celem zwiększania pojemności filtru. Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 11 - Wyboru obciążenia rezystancyjnego dokonuje się na panelu pokazanym na rys. 8. Sw 1 Sw 2 Sw 3 Rys. 8. Wybór obciążenia rezystancyjnego. Trzy przełączniki Sw1, Sw2, Sw3 pozwalają na skokowe ustawienie 8 różnych wartości obciążenia. Największe obciążenie stanowi najmniejsza rezystancja czemu odpowiada równoległe połączenie wszystkich rezystorów (wszystkie przełączniki włączone – pozycja 1 – co sygnalizują świecące się czerwone kontrolki w górnej części panelu). Najmniejsze obciążenie stanowi największa rezystancja czemu odpowiada nieskończona rezystancja (brak obciążenia; wszystkie przełączniki wyłączone – pozycja 0; kontrolki są wygaszone). Pośrednie wielkości obciążenia, pomiędzy najmniejszym i największym, uzyskuje się poprzez ustawienie odpowiedniej kombinacji przełączników. Załączenie poszczególnych sekcji obciążenia sygnalizowane jest przez czerwone kontrolki. 4.2. Multimetry Pomiary napięć i natężeń prądów w module doświadczalnym wykonuje się przy użyciu multimetrów cyfrowych. Na stanowisku pomiarowym mogą być używane następujące modele: Metex, model M-3800 lub M-4650, Protek 506, UNI-T UT804 lub KEMOT KT890 [3]. 4.3. Oscyloskopy Do obserwacji przebiegów można wykorzystać cyfrowy lub analogowy oscyloskop dwukanałowy. Ze względu na niską częstotliwość obserwowanych przebiegów zalecane jest użycie oscyloskopu SDS1052DL [3]. Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 12 - 5. Przebieg doświadczenia W układzie pokazanym na rys. 9 należy dokonać porównania kształtu przebiegu napięcia na wtórnym uzwojeniu transformatora Tr1 z kształtem napięcia na nieobciążonym (wszystkie przełączniki obciążenia Sw1, Sw2, Sw3 w pozycji 0) prostowniku jednopołówkowym i dwupołówkowym. Dwa kanały oscyloskopu podłączamy kolejno do gniazd Y0 oraz Y1. UWAGA: ze względów bezpieczeństwa wartość napięcia na gnieździe Y0 jest równa połowie rzeczywistego napięcia na wtórnym uzwojeniu transformatora sieciowego Tr1. Po zestawieniu układu pomiarowego wyłącznikiem W1 załączamy zasilanie. D 1 D 2 D 4 D 3 ~240V Y 0 W 1 Tr 1 Y 1 Y 2 Dł 1 Dł 2 R 6 R 1 R 2 R 8 R 7 Y 5 R 5 R 3 Y 3 R 4 Y 4 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 Sw 1 Sw 2 Sw 3 Rys. 9. Całościowy schemat układu pomiarowego do obserwacji napięcia wyprostowanego w układzie prostownika jedno- lub dwupołówkowego. D 1 D 2 D 4 D 3 ~240V Y 0 W 1 Tr 1 Y 1 Y 2 Dł 1 Dł 2 R 6 R 1 R 2 R 8 R 7 Y 5 R 5 R 3 Y 3 R 4 Y 4 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 Sw 1 Sw 2 Sw 3 Rys. 10. Całościowy schemat układu pomiarowego do obserwacji napięcia tętnień dla różnych filtrów z możliwością zmiany rezystancji obciążenia. Przed przystąpieniem do dalszych pomiarów należy sprawdzić czy przełącznikiem każdego z multimetrów cyfrowych został wybrany właściwy przyrząd pomiarowy oraz czy końcówki pomiarowe przyłączone zostały do właściwych zacisków wejściowych. V A Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 15 - 5.2. Część rozszerzona 11. Powtórzyć pomiary z pkt. 5, 6, 7 dla filtru RC typu Π (rys. 7d). Wyniki notować w tabeli 4. W kolumnie „Rodzaj prostownika” należy zaznaczyć czy pomiary były prowadzone w układzie prostownika jedno- czy dwupołówkowego. Wartości C oraz R należy wyznaczyć korzystając z danych zawartych w tabeli wartości elementów biernych zamieszczonej na końcu instrukcji w aneksie A1. Wartości RL należy wyznaczyć korzystając z wartości rezystancji podanych na panelu obciążenia. Tabela 4. Filtr RC typu Π. C R RL Iwy Uwy Utpp Rodzaj prostownika Lp. [µF] [Ω] [Ω] [A] [V] [V] Mt 12. Wyłącznikiem W1 wyłączyć zasilanie układu pomiarowego. 6. Wskazówki do raportu Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową (wg wzoru). 2. Sformułowanie celu ćwiczenia. 3. Wykaz aparatury (nr inwentarzowy, typ, wykorzystywane nastawy i zakresy). 4. Podstawowe definicje, wzory, opis użytych oznaczeń i symboli. 5. Schematy układów pomiarowych. 6. Stabelaryzowane wyniki pomiarów. 7. Oscylogramy i analizę wyników. 8. Uwagi końcowe i wnioski. W celu łatwiejszego i jednoznacznego odwoływania się do wzorów występujących we wstępie jak i w dalszej części sprawozdania wszystkie z nich powinny być opatrzone numerami porządkowymi. W sprawozdaniu należy umieścić tylko takie schematy, które były rzeczywiście stosowane przy pomiarach. Każdy schemat powinien być opatrzony numerem kolejnym i zatytułowany. W wykazie aparatury należy jednoznacznie opisać używaną aparaturę pomiarową poprzez podanie numeru inwentarzowego, typu itd. Nadane poszczególnym przyrządom oznaczenia należy konsekwentnie stosować na wszystkich schematach i w opisach. Jako wyniki pomiarów należy zamieścić oscylogramy oraz tabele ze zmierzonymi i obliczonymi wartościami. Każda tabela powinna posiadać swój numer kolejny i tytuł. Wszystkie oscylogramy wykonane w trakcie przeprowadzania pomiarów powinny mieć numery porządkowe oraz podpisy zawierające informację o tym co dany oscylogram przedstawia. Wykorzystując otrzymane dane pomiarowe należy wykonać obliczenia współczynnika tętnień Mt (patrz wzór (7)) dla wszystkich przypadków badanych filtrów. Obliczone wartości Mt powinny zostać umieszczone w odpowiednich tabelach z wynikami pomiarów. Dodatkowo dla prostownika dwupołówkowego z prostym filtrem pojemnościowym (przypadek pokazany na rys. 6b i 7a oraz część wyników z tabeli 1) należy wykonać obliczenia wartości teoretycznych współczynnika tętnień Mt według wzoru (9) i porównać te wartości z wartościami doświadczalnymi. Ćwiczenie E13FT – Zasilacze - 16 - Na podstawie otrzymanych wyników wartości współczynników tętnień należy wskazać filtr, który najlepiej tłumi tętnienia przy maksymalnym obciążeniu oraz filtr, który najlepiej tłumi tętnienia przy minimalnym obciążeniu (braku obciążenia). W uwagach końcowych należy zamieścić ocenę dokładności pomiarów oraz własne spostrzeżenia co do przebiegu ćwiczenia. Ważną częścią wniosków powinno być wyszczególnienie czynności i procedur pomiarowych, które należałoby przeprowadzić inaczej (jak?), gdyby ćwiczenie miało zostać powtórzone. 7. Literatura 7.1. Literatura podstawowa [1] A. Rusek, Podstawy elektroniki, część pierwsza, WSiP, Warszawa, 1979. [2] K. Bracławski, A. Siennicki, Elementy półprzewodnikowe, WSiP, Warszawa, 1986. 7.2. Literatura uzupełniająca [3] Instrukcje obsługi do multimetrów i oscyloskopów dostępne są na stronie internetowej: https://fizyka.p.lodz.pl/pl/dla-studentow/laboratorium-elektroniki/ [4] http://www.edw.com.pl/ea/ 8. Aneksy A1. Tabela wartości elementów biernych C1=100µF C4=100µF Dł1=40mH R1=1Ω R3=0,27Ω R6=1Ω C2=470µF C5=470µF Dł2=40mH R2=10Ω R4=0,27Ω R7=10Ω C3=1000µF C6=1000µF R5=0,27Ω R8=22Ω