background image

 

kierunek: 

Mechatronika (WM)

 

Zadania uzupełniające do wykładu i ćwiczeń z Elektroniki dla sem. III 

Dzielniki napięcia i prostowniki 

 
 

Zadanie  1  

Zaprojektować dzielnik napięcia (dla napięć stałych i wolnozmiennych) tak, aby 

dla napięcia wejściowego U

1

=10V uzyskać napięcia na obciążeniu dzielnika U

2

=2V, przy re-

zystancji obciążenia  R

0

=100k

Ω. Rezystory dzielnika należy dobrać tak, aby źródło sygnału 

wejściowego było obciążone mocą nie większą niż P

max

=0,25W. 

 

 
Zadanie  2  

Zaprojektować dzielnik napięcia (dla napięć stałych i wolnozmiennych) tak, aby 

dla napięcia wejściowego o maksymalnej wartości U

1max

=80V uzyskać napięcia na obciążeniu 

dzielnika o maksymalnej wartości U

2max

=5V, przy rezystancji obciążenia R

0

=40k

Ω. Rezysto-

ry dzielnika należy dobrać tak, aby źródło sygnału wejściowego było obciążone mocą nie 
większą niż P

max

=0,5W. 

 

 

Zadanie  3  

Zaprojektować dzielnik napięcia (dla napięć zmiennych o dowolnym kształcie i 

częstotliwości – tzn. skompensowany częstotliwościowo), dla którego spełniona jest zależ-
ność: 

1

2

05

,

0

u

u

=

. Rezystancja wejściowa dzielnika winna być większa od 50 k

Ω. Przyjąć, 

że obciążenie dzielnika charakteryzuje się pojemnością wejściową C

0

 = 500 pF 

   

 

 

 

background image

 

Zadanie  4  

W układzie prostownika jednopulsowego, przedstawionego na rysunku, zasilane-

go napięciem sieciowym (f=50Hz) o wartości skutecznej U=230V przez transformator o prze-
kładni zwojowej υ = 5, obliczyć: 
- wartość maksymalną i średnią prądu diody, 
- wartość maksymalną napięcia wstecznego na diodzie, 
przy obciążeniu prostownika: 
a) rezystorem R

0

=40

Ω, 

b) kondensatorem C

0

=2mF. 

Spadek napięcia na diodzie w stanie przewodzenia zaniedbać. 

 

 

Zadanie  5  

W układzie prostownika jednopulsowego (schemat jak w zad. 4), zasilanego na-

pięciem sieciowym (f=50Hz) o wartości skutecznej U=230V przez transformator o przekładni 
zwojowej υ = 10, obciążonego rezystorem o rezystancji R

0

=20

Ω obliczyć: 

- wartość maksymalną i średnią prądu diody, 
- wartość maksymalną napięcia wstecznego na diodzie. 
Jak zmieni się wartość napięcia wstecznego, jeżeli zamiast rezystora włączymy kondensator o 
pewnej pojemności C? 
Spadek napięcia na diodzie w stanie przewodzenia zaniedbać. 

 

Zadanie  6  

W układzie prostownika jednopulsowego (schemat jak w zad. 4), zasilanego na-

pięciem sieciowym (f=50Hz) o wartości skutecznej U=230V przez transformator o przekładni 
zwojowej υ = 4, dołączono do zacisków wyjściowych prostownika kondensator o pojemności 
C

0

=3,3 mF i równolegle do niego odbiornik o rezystancji R

0

=10

Ω. 

W układzie tym obliczyć: 
- wartość średnią napięcia na rezystancji obciążenia, 
- poziom tętnień napięcia (procentowo w stosunku do wartości średniej napięcia), 
- moc pobieraną przez odbiornik. 
Spadek napięcia na diodzie w stanie przewodzenia zaniedbać. 
 
Zadanie  7  

W układzie prostownika dwupulsowego, przedstawionego na rysunku, zasilanego 

napięciem sieciowym (f=50Hz) o wartości skutecznej U=230V przez transformator o prze-
kładni zwojowej υ = 6, obliczyć: 
- wartość maksymalną i średnią prądu obciążenia, 
- wartość średnią napięcia obciążenia, 
przy obciążeniu prostownika: 
a) rezystorem R

0

=50

Ω, 

background image

 

b) kondensatorem C

0

=1mF, 

c) obydwoma tymi elementami połączonymi równolegle. 
Spadek napięcia na diodach w stanie przewodzenia zaniedbać. 

 

 
Zadanie  8  
W układzie prostownika dwupulsowego (schemat jak w zadaniu 7 – wariant c), zasilanego 
napięciem sieciowym (f=50Hz) o wartości skutecznej U=230V przez transformator o prze-
kładni zwojowej υ = 4, obciążonego rezystancją R

0

=36

Ω, dobrać pojemność kondensatora C

0

 

tak, aby tętnienia napięcia nie przekraczały 6% wartości średniej napięcia; obliczyć (w przy-
bliżeniu) tę wartość średnią. 
Spadek napięcia na diodach w stanie przewodzenia zaniedbać. 

 

 

background image

 

Rozwiązania i odpowiedzi 

 

Zadanie 1  
Rozwiązanie: 
Sumaryczna rezystancja obydwu rezystorów dzielnika, którego struktura jest przedstawiona 
na rysunku poniżej, musi być nie mniejsza niż: 

Ω,

400

25

,

0

100

max

2

1

min

2

1

=

=

=

+

P

U

R

R

 

a ponadto musimy uzyskać relację: 

2

,

0

10

2

0

2

0

2

1

0

2

0

2

1

2

=

=

+

+

+

=

R

R

R

R

R

R

R

R

R

U

U

Jeżeli – przykładowo – przyjmiemy wartość rezystancji R

1

 równą 1k

Ω, to po wykonaniu 

przekształceń i podstawień, rezystancja R

2

 wyjdzie nam równa 250,6 

Ω. Ponieważ łączna re-

zystancja wejściowa dzielnika wynosi 1250

Ω, zatem prąd maksymalny (przy napięciu 

U

1

=10V) wyniesie: I=8mA, zatem moce tracone w rezystorach dzielnika wyniosą odpowied-

nio:  P

1max

=64mW,  P

2max

=16mW. Wystarczą zatem rezystory o mocy znamionowej 

P

n

=0,125W. 

 

Odpowiedź: 
R

1

=1k

Ω/0,125W,   R

2

=250,6

Ω/0,125W. 

(oczywiście podane powyżej wartości są jednym z wielu możliwych wariantów rozwiązania). 

 

Zadanie 2 

 

Odpowiedź: 
Schemat dzielnika identyczny jak w rozwiązaniu zadania 1, wartości elementów:  
R

1

=15k

Ω/0,5W,   R

2

=1,026k

Ω/0,25W. 

(oczywiście podane powyżej wartości są jednym z wielu możliwych wariantów rozwiązania). 

 

Zadanie 3 

 

Odpowiedź: 
Schemat dzielnika przedstawiono na rysunku poniżej.  

 

background image

 

Wartości elementów: R

1

=76k

Ω,  C

1

=26,3pF,  R

2

=4k

Ω. 

(oczywiście podane powyżej wartości rezystancji są jednym z wielu możliwych wariantów 
rozwiązania, pojemność musi być dokładnie taka, jak podano – niezależnie od rezystancji. 
Uwaga: w odpowiedzi nie podano nominalnej mocy rezystorów, ani moninalnego napięcia 
kondensatora, ponieważ w treści zadania nie została określona maksymalna wartość napięcia 
wejściowego – w woltach). 
 
Zadanie 4 

 

Rozwiązanie: 
Wartość skuteczną napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora U

2

, tzn. napięcia na wej-

ściu prostownika, obliczamy korzystając z podanej przekładni transformatora: 

V.

46

5

230

2

=

=

=

υ

U

U

 

Amplituda tego napięcia (ze względu na jego sinusoidalny przebieg) jest √2-razy większa, za-
tem: U

2m

=65V. 

Przy obciążeniu rezystancyjnym prostownika (bez żadnej dołączonej do jego zacisków wyj-
ściowych pojemności), wartość średnia napięcia wyniesie: 

V.

7

,

22

1416

,

3

65

2

)

(

=

=

=

π

m

śr

wy

U

U

 

Wartość maksymalna napięcia wstecznego na diodzie jest w tym przypadku równa amplitu-
dzie napięcia wejściowego prostownika, zatem: U

R(max)

=U

2m

=65V. 

W konsekwencji w rezystancji obciążenia  R

0

 i w diodzie otrzymamy – jako maksymalną i 

średnią wartość prądu - odpowiednio: 

A,

625

,

1

40

65

0

2

(max)

=

=

=

R

U

I

m

D

      oraz      

A.

517

,

0

40

7

,

22

0

)

(

)

(

=

=

=

R

U

I

śr

wy

śr

D

 

Przy obciążeniu wyjścia prostownika tylko pojemnością  C

0

, w stanie ustalonym (tzn. po 

pierwszym naładowniu się kondensatora do maksymalnej wartości napięcia U

2m

=65V), prąd 

nie będzie płynął, napięcie będzie stałe i równe wartości maksymalnej U

2m

, zaś największa 

wartość napięcia wstecznego na diodzie osiągnie dwukrotną wartość amplitudy napięcia wej-
ściowego prostownika: 
U

wy(śr)

=65V,    I

D(max)

=I

D(śr)

=0,     U

R(max)

=130V. 

 

Zadanie 5 

 

Odpowiedź: 
Przy obciążeniu prostownika tylko rezystorem: 
U

Rmax

=32,5V,   I

Fmax

=1,625A,   I

F(AV)

=0,517A. 

Po zamianie rezystora na kondensator: 
U

Rmax

=65V. 

 

Zadanie 6 

 

Rozwiązanie: 
Przebieg napięcia na obciążeniu prostownika przedstawiono na rysunku poniżej (czerwony). 

 

 

background image

 

 
Wartość skuteczną napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora U

2

, tzn. napięcia na wej-

ściu prostownika, obliczamy korzystając z podanej przekładni transformatora: 

V.

5

,

57

4

230

2

=

=

=

υ

U

U

 

Amplituda tego napięcia (ze względu na jego sinusoidalny przebieg) jest √2-razy większa, za-
tem:  U

2m

=81,3V. Jest to równocześnie największa wartość napięcia na kondensatorze U

y

 

(patrz rys.), od której zaczyna się proces jego rozładowania w chwili t=5ms. Równocześnie 
można stwierdzić, że w poprzednim okresie napięcia zasilania, kondensator zaczął się rozła-
dowywać o 20 ms wcześniej, tzn. dla t=-15ms=-0,015s. Zatem dla fragmentu przebiegu na-
pięcia, który przecina oś napięć (pionową na wykresie), można podać następujący wzór: 

( )

(

)

.

3

,

81

015

,

0

3

,

30

015

,

0

0

0

+

+

=

=

t

C

R

t

y

e

e

U

t

u

 

Dla czasów:  t

≤ t ≤ 5ms napięcie zmienia się sinusoidalnie wg wzoru: 

( )

( )

(

)

.

314

sin

3

,

81

sin

t

t

U

t

u

y

=

=

ω

 

Przyrównując do siebie te dwa wzory, możemy określić chwilę czasu t

0

, w której kończy się 

rozładowanie, a zaczyna doładowanie kondensatora. Ponieważ otrzymujemy równanie nieli-
niowe, można je rozwiązać numerycznie (np. iteracyjną metodą Newtona – opis metod roz-
wiązywania równań nieliniowych wykracza poza zakres tego zbioru zadań), ewentualnie 
spróbować użyć aproksymacji liniowej (licząc się z niedokładnością tej metody), lub spróbo-
wać znaleźć rozwiązanie metodą „prób i błędów” (ostateczność!). 
W rozważanym równaniu: 

(

)

(

)

0

015

,

0

3

,

30

314

sin

3

,

81

3

,

81

0

t

e

t

=

+

 

Jako wynik uzyskamy (w przybliżeniu) wartość: t

0

=0,00204s=2,04ms. Jeżeli tę wartość pod-

stawimy do dowolnego z dwóch powyższych wzorów na napięcie u(t), to otrzymamy mini-
malną wartość napięcia na obciążeniu (na wyjściu) prostownika: U

x

=48,45V. 

Dokładne obliczenie wartości  średniej napięcia wyjściowego wymaga obliczenia całki (po 
czasie) za jeden okres z przebiegu napięcia i podzielenia jej przez wartość okresu:  

(

)

(

)

(

)

(

)

V.

48

,

64

314

sin

4065

314

sin

3

,

81

3

,

81

02

,

0

1

00204

,

0

015

,

0

005

,

0

00204

,

0

015

,

0

3

,

30

00204

,

0

015

,

0

005

,

0

00204

,

0

015

,

0

3

,

30

=

+

=

=

+

=

+

+

dt

t

dt

e

dt

t

dt

e

U

t

t

śr

 

Średnią moc pobieraną przez odbiornik możemy obliczyć ze wzoru: 

W.

8

,

415

10

48

,

64

2

0

2

=

=

=

R

U

P

śr

 

Wartość tętnień napięcia wyrażoną w procentach w stosunku do wartości średniej wyniesie: 

.

%

51

%

95

,

50

%

100

48

,

64

45

,

48

3

,

81

%

100

%

=

=

=

śr

x

y

U

U

U

U

 

Zadanie 7 

 

Odpowiedź: 
a) Przy obciążeniu prostownika tylko rezystorem: 
I

0max

=1,08A,   I

0śr

=0,69A,   U

0śr

=34,5V. 

b) Przy obciążeniu prostownika tylko kondensatorem: 
I

0max

=0A,   I

0śr

=0A,   U

0śr

=54,2V. 

background image

 

c) Przy obciążeniu prostownika obydwoma elementami (uwaga – jako prąd obciążenia rozu-
mie się tutaj prąd rezystora, gdyż kondensator jest z reguły standardowym elementem skła-
dowym prostownika): 
I

0max

=1,08A,   I

0śr

=1A,   U

0śr

=50,2V. 

 

Zadanie 8 

 

Odpowiedź: 
U

0śr

=78,9V,   C

0

=4,12mF.