background image

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA 

 

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY 

 

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH 

 
 
 
 
 

 

Instrukcja  do  zajęć  laboratoryjnych  dla  studentów 

 

WYDZIAŁU MECHANICZNEGO 

 

Studiów  stacjonarnych  i  niestacjonarnych 

z  przedmiotów 

 

PODSTAWY  ELEKTROTECHNIKI  I  ELEKTRONIKI 

Kody przedmiotów:   MKBMS02011,    MKBMN01002 

 

ELEKTROTECHNIKA  I  ELEKTRONIKA 

Kody przedmiotów:   MKARS02010;      MKIBS02015;    MKTRS02011;    MKETS02014;  

MKARN02010;     MKIBN02018;     MKTRN03018.   

 
 

 
 

ĆWICZENIE  4M 

 

BADANIE PROSTOWNIKÓW JEDNOFAZOWYCH 

I UKŁADÓW FILTRUJĄCYCH 

 

 
 

 

Opracował 

dr inż. Stanisław Jałbrzykowski 

 

 

BIAŁYSTOK  2013 

background image

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Instrukcja jest własnością Katedry Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych. 

Do użytku wewnętrznego katedry. 

Powielanie i rozpowszechnianie zabronione 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

Ogólne zasady bezpieczeństwa 

 

Przed  przystąpieniem  do  zajęć  należy  zapoznać  się  z  instrukcją  dydaktyczną  do  stanowiska 

laboratoryjnego. 

 

Dokonać  oględzin  urządzeń  i  przyrządów  używanych  w  ćwiczeniu,  a  o  zauważonych 

nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego. 

 

Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego. 

 

Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostępnych manipulatorów 

(potencjometrów,  przełączników),  należy  dokonywać  po  przeanalizowaniu  skutków  takich 

działań. 

 

Zmian  konfiguracji  obwodów  elektrycznych,  możliwych  jedynie  poprzez  zmiany  połączeń 

przewodów,  należy  dokonywać  za  zgodą  prowadzącego  po  uprzednim  wyłączeniu  zasilania 
stanowiska. 

 

W  przypadku  załączania  układów  napędowych  należy  zachować  odpowiednią  kolejność 

czynności. 

 

Po  załączeniu  stanowiska  wykonywanie  przełączeń  (np.  wymiana  przyrządu)  w układzie 

znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone. 

 

W  w/w  stanowisku  dostępne  są  części  czynne  obwodu  elektrycznego  o  napięciu 

przekraczającym  napięcie  bezpieczne,  dlatego  przed  uruchomieniem  należy  zachować 

odpowiednie  oddalenie  od  tych  części  czynnych  w  celu  uniknięcia  porażenia  prądem 
elektrycznym. 

 

Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż opisane w instrukcji może 

spowodować  nieprzewidziane  zachowanie  obiektu  sterowanego  a  nawet  uszkodzenie 
stanowiska. 

 

Nie  należy  podłączać  urządzeń  nie  przeznaczonych  do  współpracy  z  tym  stanowiskiem 

laboratoryjnym. 

 

Przekroczenie  dopuszczalnych  parametrów  prądów,  napięć  sygnałów  sterujących  może 

doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem. 

 

W  przypadku  pojawienia  się  symptomów  nieprawidłowego  działania  (np.  swąd  spalenizny) 

natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający. 

 

Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz opisanych w 

instrukcji,  powinny  być  wykonywane  przez  wykwalifikowany  personel  po  wyłączeniu 
stanowiska. 

 

Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji lub na 

obudowie urządzenia. 

 

Urządzenie  powinno  być  czyszczone  przy  użyciu  suchej  i  miękkiej  szmatki.  Nie  należy 

stosować do tych celów rozpuszczalników. 

 

Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory, zasilacze itp.) należy 

przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.: 

 

Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu. 

 

Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołączone 

do źródła napięcia. 

 

Przyrząd  powinien  być  połączony  z  uziemieniem  przez  przewód  ochronny  w  kablu 

zasilającym.  Aby  uniknąć  porażenia  przewód  ten  powinien  być  podłączony  do  przewodu 
ochronnego sieci. 

 

Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie należy 

podłączać go do punktów o wyższym potencjale. 

 

Aby  uniknąć  porażenia  prądem  podczas  używania  sondy,  należy  trzymać  palce  nad 

pierścieniem  zabezpieczającym.  Nie  wolno  dotykać  metalowych  części  grotu,  gdy  sonda 

jest podłączona do źródła napięcia 

 

Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów. 

background image

 

I.   WPROWADZENIE 

 

1. Dioda prostownicza 

Współczesne  diody  prostownicze  to  diody  półprzewodnikowe.  Dioda  jest 

złączem  półprzewodnikowym  p-n.  Jest  elementem  dwukońcówkowym. 

Końcówka  (elektroda)  wyprowadzona  z  warstwy  „p”  nazywa  się  anoda 

a końcówka  (elektroda)  wyprowadzona  z warstwy  „n”  nazywa  się  katoda. 

Podstawową 

praktyczną 

właściwością 

diody 

jest 

jednokierunkowe 

przewodnictwo prądu elektrycznego od anody do katody. 

 

 

Rys. 1. Symbol graficzny diody półprzewodnikowej prostowniczej. 

 

 

Rys. 2. Polaryzacja diody:   a) w stanie przewodzenia,   b) w stanie zaporowym 

 

Stan  przewodzenia  diody  (rys.  2a).  Gdy  napięcie  na  diodzie  (dołączone 

z zewnętrznego  źródła)  jest  dodatnie,  tzn.  potencjał  anody  jest  wyższy  niż 

potencjał  katody,  dioda  jest  w  stanie  przewodzenia.  Przez  diodę  płynie  prąd  i

D

 

o zwrocie  od  anody  do  katody.  W  stanie  przewodzenia  wartość  napięcia  na 

background image

 

diodzie  (u

D

  =  u

AK

)  jest  niewielka  i  w  uproszczeniu  można  przyjąć,  że  jest 

pomijalnie mała, czyli u

D

 

 0. Rezystancja diody w stanie przewodzenia również 

jest  niewielka  i  w  uroszczeniu  można  przyjąć,  że  jest  pomijalnie  mała,  czyli 

R

D

 

 0.  W stanie  przewodzenia  dioda  może  być  traktowana  jako prawie idealny 

przewodnik  prądu  elektrycznego.  W  praktyce,  w  stanie  przewodzenia  wartość 

prądu  diody  nie  powinna  przekraczać  wartości  prądu  roboczego  podawanego 

przez  producenta  (I

F

).  Przekroczenie  wartości  prądu  roboczego  może 

spowodować cieplne zniszczenie diody. 

Stan  zaporowy  diody  (rys.  2b).  Gdy  napięcie  na  diodzie  (dołączone 

z zewnętrznego  źródła)  jest  ujemne,  tzn.  potencjał  katody  jest  wyższy  niż 

potencjał  anody,  dioda  jest  w  stanie  zaporowym.  Przez  diodę  praktycznie  prąd 

nie  płynie.  Napięcie  na  diodzie  w  stanie  zaporowym  nazywane  jest  napięciem 

zaporowym  lub  napięciem  wstecznym  diody.  Rezystancja  diody  w stanie 

zaporowym przyjmuje bardzo duże wartości i w uproszczeniu można przyjąć, że 

R

D



.  W  stanie  zaporowym  dioda  może  być  traktowana  jako  przerwa 

w obwodzie  elektrycznym,  na  zaciskach  której  istnieje  napięcie  elektryczne. 

W praktyce  w  stanie  zaporowym  wartość  napięcia  wstecznego  nie  powinna 

przekraczać  wartości  podanej  przez  producenta  jako  wartość  maksymalna 

(U

RRM

).  Przekroczenie  podanej  wartości  może  spowodować  zjawisko  przebicia 

diody i zniszczenie diody. 

 

2. Prostownik diodowy 

Ogólnie  dostępnym  źródłem  energii  elektrycznej  w  Polsce  jest 

elektroenergetyczna  sieć  zasilająca  napięcia  przemiennego  (sinusoidalnie) 

o częstotliwości  50Hz  Większość  urządzeń  elektrycznych  jest  zasilana  energią 

z tej sieci. Znaczna część urządzeń, głównie  elektronicznych, wymaga zasilania 

napięciem 

stałym. 

Istnieje 

więc 

konieczność 

tworzenia 

układów 

przekształcających  napięcie  przemienne  na  napięcie  stałe,  umożliwiających 

czerpanie energii elektrycznej z sieci napięcia przemiennego i zasilanie urządzeń 

background image

 

napięciem  stałym.  Podstawowym  przekształtnikiem  napięcia  przemiennego  na 

stałe  jest  prostownik  diodowy.  Najprostszymi  prostownikami  są  prostowniki 

jednofazowe,  tzn.  zasilane  jednofazowo  (jednym  napięciem  przemiennym). 

Typowe układy prostowników jednofazowych to:   

   - prostownik jednopulsowy (jednopołówkowy) – rys. 3a),  

 

   -  prostownik  dwupulsowy  (dwupołówkowy)  w  układzie  mostkowym 

(mostkowy) – rys. 3b). Prostowniki zasilane są za pośrednictwem transformatora 

(TR).  W  transformatorze  napięcie  sieci  (pierwotne)  U

1

  jest najczęściej obniżane 

do wartości U

2

 (napięcie wtórne). Napięcie wtórne transformatora jest napięciem 

zasilającym prostownik (napięciem wejściowym prostownika). 

 

 

Rys. 3. Schematy prostowników jednofazowych:  a) prostownik jednopulsowy, b) prostownik 

dwupulsowy;    TR - transformator,    D - dioda,    odb. - odbiornik prądu stałego. 

 

Do opisu działania prostowników niezbędna jest znajomość charakterystycznych 

wartości napięć i prądów: 

   wartość chwilowa napięcia przemiennego sieci zasilającej (u

1

)  

 

i  wartość  chwilowa  napięcia  przemiennego  zasilającego  prostownik  czyli 

napięcia wtórnego transformatora (u)  

u

1

 = u

1

(t) = U

1m

sin

t,      

 

u = u(t) = u

2

(t) = U

m

sin

t, 

gdzie   U

1m

,    U

m

   – amplitudy napięć przemiennych,    

 

 = 2

f,  

f - częstotliwość napięcia zasilającego,  

f = 50 Hz;   

background image

 

   wartość skuteczna napięcia zasilającego     

 

 

 

2

m

sk

U

U

U

 

 

   wartość średnia napięcia na odbiorniku (U

o

)  i prądu odbiornika (I

o

 

 

T

o

osr

o

dt

t

u

T

U

U

0

)

(

1

 

 

T

o

osr

o

dt

t

i

T

I

I

0

)

(

1

;  

 

   wartość skuteczna napięcia na odbiorniku (U

osk

)  i prądu odbiornika (I

osk

 

 

T

o

sk

o

dt

t

u

T

U

0

2

)

(

1

,  

 

 

T

o

sk

o

dt

t

i

T

I

0

2

)

(

1

,   

gdzie   u

o

(t),   i

o

(t) – wartość chwilowa napięcia na odbiorniku i prądu odbiornika, 

 

T  –  okres  zmienności  napięcia  na  odbiorniku  równy  okresowi  napięcia 

zasilającego, dla częstotliwości   f = 50 Hz    okres   T = 20 ms; 

 

    współczynnik  tętnienia  napięcia  na  odbiorniku  k

t

,  jako  miara  jakości 

przekształcania  napięcia  przemiennego  na  napięcie  stałe.  Im  wyższa  jest jakość 

przekształcania, tym mniejsza jest wartość współczynnika tętnienia. Dla napięcia 

stałego w czasie współczynnik tętnienia   k

t

 = 0. 

osr

osr

osk

t

U

U

U

k

2

2

 

Ponadto  do  opisu  działania  układów  filtrujących  stosowanych  na  wyjściu 

prostowników  wymagana  jest  znajomość  właściwości  kondensatorów  i  cewek 

indukcyjnych w obwodach prądu stałego i zmiennego. 

 

 

background image

 

Prostownik jednopulsowy (jednopołówkowy) 

Schemat  układu  prostownika  jednopulsowego,  bez  filtru,  obciążonego 

odbiornikiem rezystancyjnym R

O

 pokazany jest na rys.4a). 

 

Rys.  4.  Prostownik  jednopulsowy:  a)  schemat,  b)  przebiegi  napięcia zasilającego prostownik 
i napięcia wyprostowanego na odbiorniku. 

 

W skład prostownika wchodzą:  

 

transformator  (Tr)  obniżający  wartość  skuteczną  napięcia  przemiennego 
(sieciowego), 

  dioda prostownicza (D). 

Dioda  przewodzi  prąd  w  czasie,  w  którym  wartości  chwilowe  napięcia 

zasilającego  prostownik  są  dodatnie  a  nie  przewodzi,  gdy  wartości  chwilowe 

napięcia  zasilającego  są  ujemne.  W  każdym  okresie  przez  diodę  i  odbiornik 

płynie  prąd  w  czasie  połowy  okresu,  tzn.  w czasie przewodzenia diody, w tym 

czasie  napięcie  na  odbiorniku  ma  wartości  dodatnie.  W drugiej połowie  okresu 

prąd  w  układzie  nie  płynie  (dioda  jest  w  stanie  zaporowym)  i napięcie  na 

odbiorniku ma wartość zerową. 

Na rys.4b) zamieszczone są przebiegi czasowe: 

- napięcia zasilającego prostownik, tzn. napięcia wtórnego transformatora u

2

 = u, 

- napięcia wyprostowanego na odbiorniku u

o

background image

 

W  układzie  tym  wartość  maksymalna  napięcia  na  odbiorniku  jest  równa 

wartości maksymalnej napięcia zasilającego prostownik (U

m

). 

Na przebiegu napięcia wyprostowanego u

o

 (rys. 4b) zaznaczone są  odpowiednio: 

- wartość maksymalna    U

om

 = U

m

,  

- wartość skuteczna  

U

osk

 = U

m

/2,  

 - wartość średnia    

U

o

 = U

m

/

Wartości  skuteczną  i  średnią  napięcia  na  odbiorniku  można  wyrazić 

w powiązaniu  z  wartością  skuteczną  napięcia  zasilającego  prostownik  U 

(sinusoidalnie zmiennego):    

U

U

 

U

osk

71

,

0

2

2

,  

U

U

U

o

45

,

0

2

 

Prostownik jdnopulsowy z filtrem pojemnościowym C 

Na rys.5. zaprezentowany jest schemat i przebiegi czasowe napięć i prądów 

dla prostownika jednopulsowego z filtrem pojemnościowym. 

W  układzie  tym  do  wyjścia  prostownika,  równolegle  do  odbiornika 

rezystancyjnego dołączony jest kondensator o pojemności C.  

Kondensator  C  jest  ładowany  (zwiększanie  się  napięcia  na  kondensatorze) 

prądem  płynącym  przez  diodę  D  w  czasie,  gdy  wartości  chwilowe  napięcia 

zasilającego  prostownik  są  większe  niż  wartości  chwilowe  napięcia  na 

odbiorniku.  Czas  trwania  jednego  pulsu  prądu  diody  w  tym  procesie  jest  równy 

około czwartej części okresu zmienności napięcia.  

 

background image

 

10 

 

Rys. 5. Prostownik jednopulsowy z filtrem pojemnościowym: a) schemat, b) przebiegi napięć 
i prądów. 

 

W  pozostałej  części  okresu  kondensator  rozładowuje  się  (zmniejszanie  się 

napięcia  na  kondensatorze).  Prąd  rozładowania  płynie  w  obwodzie  C,  R

o

.  Prąd 

przez  diodę  nie  płynie,  gdyż  napięcie  na  kondensatorze  ma  wartości  chwilowe 

większe niż napięcie zasilające i dioda  

jest w stanie zaporowym. Szybkość rozładowania kondensatora zależy od stałej 

czasowej 

 = R

o

C.   Im większa jest wartość stałej czasowej (iloczynu R

o

C), tym 

wolniejszy  jest  proces  rozładowania,  który  trwa  do  chwili,  w  której  ponownie 

wartość  chwilowa  napięcia  zasilającego  będzie  większa  niż  napięcia  na 

odbiorniku. 

Przebiegi czasowe na rys.5b) to: 

u = u

2

 – wartość chwilowa przemiennego napięcia zasilającego prostownik, 

u

o

 – przebieg czasowy napięcia na odbiorniku oraz wartości:  

U

osk

 – skuteczna, i U

o

 – średnia,  

i

D

, u

D

 – przebiegi czasowe prądu diody i napięcia na diodzie.  

 

Efektem zastosowania filtru pojemnościowego jest: 

-  możliwość  uzyskania  przebiegu  ciągłego  (bezprzerwowego)  napięcia  i  prądu 

odbiornika rezystancyjnego R

o

,  

background image

 

11 

- zmniejszenie  zakresu zmian napięcia (tętnień) na odbiorniku, tzn. 

  

U

o

 = (U

omax

 – U

omin

), 

- zmniejszenie współczynnika tętnienia k

t

 w porównaniu z układem bez filtru. 

 

Prostownik jednopulsowy z filtrem indukcyjnym 

 

 

Rys.  6.  Prostownik  jednopulsowy  z  filtrem  indukcyjnym:  a)  schemat,  b)  przebiegi  napięć 
i prądów.  

 

Na rys.6. zaprezentowany jest schemat i przebiegi czasowe napięć i prądów 

dla prostownika jednopulsowego z filtrem indukcyjnym. W układzie tym dławik 

(cewka indukcyjna) o indukcyjności L połączony jest szeregowo z odbiornikiem 

rezystancyjnym  R

o

.  Na  zaciskach  zewnętrznych  dławika,  w  wyniku  zjawiska 

indukcji  elektromagnetycznej,  indukuje  się  siła  elektromotoryczna  samoindukcji 

(napięcie  elektryczne)  o  takiej  biegunowości,  która  przeciwdziała  zmianom 

(w tym zanikaniu) prądu płynącego przez dławik, a tym samym przez odbiornik. 

 

Przebiegi czasowe na rys.6b) to: 

u = u

2

 – wartość chwilowa przemiennego napięcia zasilającego prostownik, 

u

o

 – przebieg czasowy napięcia na odbiorniku oraz wartości: 

U

osk

 - skuteczna i U

o

 –średnia,  

background image

 

12 

u

L

 – przebieg czasowy napięcia na dławiku L, 

u

D

 – przebieg czasowy napięcia na diodzie.  

 

Efektem zastosowania filtru indukcyjnego jest: 

- wydłużenie  czasu  trwania  pulsu  prądu  odbiornika  ponad  połowę  okresu 

zmienności napięcia, 

- zmniejszenie współczynnika tętnienia k

t

 w porównaniu z układem bez filtru. 

 

Prostownik jednopulsowy z filtrem mieszanym LC 

Możliwe jest stosowanie filtrów mieszanych, utworzonych przez połączenie 

elementów  indukcyjnych  L  i  pojemnościowych  C.  Przykłady  prostownika 

jednopulsowego  z  filtrem  mieszanym  przedstawione  są  na  rys.7,  przy  czym  na 

rys.7a) przestawiony jest schemat układu z filtrem LC typu gamma 

, a na rys. 

7b) z filtrem CLC typu pi

  

 

 

Rys. 7.  Prostownik  jednopulsowy  z  filtrem  mieszanym  pojemnościowo-indukcyjnym: 
a) schemat układu z filtrem 

,   b) schemat układu z filtrem 



 

W  układach  z  filtrami  mieszanymi  wykorzystywane  są  łącznie  efekty 

uzyskiwane  w układach  z  filtrami  C  i  L.  Przebiegi  czasowe  napięcia  na 

odbiorniku  też  charakteryzują się tętnieniami. Możliwe jest jednak zmniejszenie 

współczynnika tętnień w porównaniu z układami z filtrami pojedynczymi C i L.  

 

Obliczanie  wartości  średnich  i  skutecznych  napięcia  i  prądu  odbiornika 

w układach prostowników z filtrami wyjściowymi jest trudniejsze niż w układach 

bez filtrów i wykracza poza zakres zajęć laboratoryjnych. 

background image

 

13 

Prostownik dwupołówkowy (dwupulsowy) mostkowy 

 

Schemat  mostkowego  prostownika  dwupołówego  bez  filtru  obciążonego 

odbiornikiem rezystancyjnym R

O

 pokazany jest na rys.8a). W skład prostownika 

wchodzą:  

 transformator  (Tr)  obniżający  wartość  skuteczną  napięcia  przemiennego 

(sieciowego), 

 D

1

, D

2

, D

3

, D

4

 - diody prostownicze  

 

 

Rys.  8.  Prostownik  dwupulsowy  mostkowy:  a)  schemat,  b)  przebiegi  napięcia  zasilania 
i napięcia wyprostowanego na odbiorniku 

 

W  prostowniku  dwupulsowym  mostkowym  prąd  przewodzony  jest  kolejno 

przez pary diod: 

-  (D

1

,  D

4

)  –  gdy  wartości  chwilowe  napięcia  zasilającego  są dodatnie i diody te 

są w stanie przewodzenia, w tym czasie diody (D

2,

, D

3

) są wstanie zaporowym i 

nie przewodzą prądu, 

- (D

2,

, D

3

) – gdy wartości chwilowe napięcia zasilającego są ujemne i diody te są 

w stanie przewodzenia, w tym czasie diody (D

1,

, D

4

) są wstanie zaporowym i nie 

przewodzą prądu. 

background image

 

14 

W  każdym  okresie  prąd  odbiornika  tworzy  dwa  pulsy  a  wartość  chwilowa 

napięcia na odbiorniku jest równa wartości bezwzględnej napięcia zasilającego. 

 

Na rys.8b) zaprezentowane są przebiegi czasowe: 

- napięcia zasilającego prostownik, które jest napięciem wtórnym transformatora, 

u = u

2

- napięcia „wyprostowanego” na odbiorniku, u

o

 

Na przebiegu napięcia wyprostowanego zaznaczone są: 

- U

m

 - wartość maksymalna napięcia na odbiorniku równa wartości maksymalnej 

napięcia zasilającego,  

- wartość skuteczna napięcia na odbiorniku    

2

m

sk

o

U

U

- wartość średnia napięcia na odbiorniku  

 

m

osr

U

U

U

2

0

 

Wartości  skuteczną  i  średnią  napięcia  na  odbiorniku  można  wyrazić 

w powiązaniu  z wartością  skuteczną  napięcia  zasilającego  prostownik  U 

(sinusoidalnie zmiennego):    

U

 

U

osk

,  

 

U

U

U

o

9

,

0

2

2

 

 

Prostownik dwupulsowy z filtrem pojemnościowym C 

Na  rys.9a)  przedstawiony  jest  schemat  prostownika  dwupulsowego  

z odbiornikiem rezystancyjnym R

o

 i filtrem pojemnościowym C. 

W  tym  układzie  diody  przewodzą  prąd  parami  (D

1

,  D

4

)  i  (D

2,

,  D

3

)  w  czasie 

krótszym  niż  połowa  okresu  napięcia  zasilającego,  tzn.  w  czasie,  w  którym 

wartość bezwzględna napięcia zasilającego jest większa niż wartość napięcia na 

kondensatorze.  W  pozostałych  przedziałach  czasu  prąd  odbiornika  jest  prądem 

rozładowania kondensatora w obwodzie C, R

o

background image

 

15 

 

 

Rys.  9.  Mostkowy  prostownik  dwupulsowy  z  filtrem  pojemnościowym:  a)  schemat, 
b) przebiegi napięć i prądów. 

 

  Na rys. 9b) przedstawione są przebiegi czasowe: 

- napięcia zasilającego prostownik, które jest napięciem wtórnym transformatora, 

u = u

2

-  napięcia  „wyprostowanego”  na  odbiorniku,  u

o

  z  wartością  średnią  napięcia  na 

odbiorniku U

o

- prądu wyjściowego prostownika i

wy

.  

Prąd wyjściowy prostownika jest prądem impulsowym jedkokierunkowym. Prąd 

pobierany ze źródła (transformatora) jest prądem zmiennym impulsowym, co jest 

wadą tego układu. 

Wartości  chwilowe  napięcia  na  odbiorniku  -  u

o

  zmieniają  się  w  zakresie  

U

o

 = (U

omax

 – U

omin

). Zakres ten, a szczególnie wartość minimalna  U

omin

  zależy 

od stałej czasowej obwodu 

 = R

o

C. 

Im  większa  jest  wartość  stałej  czasowej,  tym  większa  jest  wartość  U

omin

 

i mniejszy zakres zmian napięcia 

U

o

 W efekcie współczynnik tętnienia napięcia 

jest mniejszy.  

 

background image

 

16 

Prostownik dwupulsowy z filtrem mieszanym LC 

Na  rys.  10a).  przedstawiony  jest  schemat  przykładowego  prostownika 

dwupulsowego  mostkowego  z filtrem  mieszanym  LC  typu 

    i  odbiornikiem 

rezystancyjnym. 

W układzie  tym możliwe jest uzyskanie przebiegu czasowego 

napięcia  na  odbiorniku  o  niewielkim  zakresie  zmian 

U

o

,  tzn.  o  małej wartości 

współczynnika  tętnienia  napięcia  k

t

.  Przebiegi  napięcia  zasilającego    -  u  i 

napięcia na odbiorniku - u

o

 przestawione są na rys. 10b). 

 

 

Rys.  10.  Mostkowy  prostownik  dwupulsowy  z  filtrem  mieszanym:  a)  schemat,  b)  przebiegi 
napięć i prądów. 

 

II.    CEL  I  ZAKRES  ĆWICZENIA  LABORATORYJNEGO 

 

Praktyczne zapoznanie się z przetwarzaniem prądu i napięcia przemiennego 

na  prąd  i napięcie  stałe  w  diodowych  prostownikach  jednofazowych.  W  zakres 

ćwiczenia wchodzą: 

1. Obserwacje  oscyloskopowe  oraz  pomiary  wartości  średnich  i wartości 

skutecznych charakterystycznych prądów i napięć w prostownikach. 

2. Porównanie  jakości  przetwarzania  napięcia  zmiennego  na  napięcie  stałe 

w różnych układach prostowników. 

 

background image

 

17 

III.   OPIS  STANOWISKA  LABORATORYJNEGO 

Stosowane  w  ćwiczeniu  elementy  potrzebne  do  połączenia  wybranego 

układu prostownika umieszczone są w obudowie prostopadłościennej. Końcówki 

elementów  wykorzystywane  do  łączenia  układów  pomiarowych  wyprowadzone 

są  na  płytę  czołową  (montażową)  stanowiska  laboratoryjnego.  Jednofazowe 

napięcie zasilające o wartości skutecznej 230V i częstotliwości 50Hz dołączone 

jest  wewnątrz  obudowy  do  uzwojenia  pierwotnego  transformatora  obniżającego 

napięcie 230/24V. 

Wykaz elementów stanowiska laboratoryjnego: 

1. Elementy znajdujące się w obudowie stanowiska laboratoryjnego: 

- T – transformator o mocy pozornej 250VA, 

U

1

 = 230V,   U

2

 = 24V,   f = 50Hz; 

- D1÷ D4 – diody półprzewodnikowe D22 10R,    I

F

 = 10A,    U

RRM

 = 600V, 

- C1,  C2 – kondensatory elektrolityczne    220 

F,     350V, 

- L  – dławik filtrujący o indukcyjności około 50 mH, 

- R

d

 – odbiornik rezystancyjny o rezystancji stałej 22

,  

-  A1(śr),  A3(śr)  –  amperomierze  magnetoelektryczne  do  pomiaru  wartości 

średnich prądu, 

-  A2(sk),  A4(sk)  –  amperomierze  elektromagnetyczne  do  pomiaru  wartości 

skutecznych prądu, 

-  V1(śr)  –  woltomierz  magnetoelektryczny  do  pomiaru  wartości  średnich 

napięcia, 

- V2(sk) – woltomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości skutecznych 

napięcia. 

2. Pozostałe elementy i przyrządy pomiarowe: 

- Ro – opornik  suwakowy  PRU  322  o  rezystancji maksymalnej 33

 i prądzie 

znamionowym I

R

 = 3,1 A oraz   I

Rmax

 = 4,4A w czasie 15 min; 

- oscyloskop z zestawem sond pomiarowych napięciowych i sondą prądową. 

 

background image

 

18 

 

Rys. 11. Widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego. 

 

Z - przycisk zielony załączania napięcia zasilającego  

 

   -  lampka sygnalizacyjna świeci, gdy napięcie jest dołączone do układu; 

W - przycisk czerwony wyłączania napięcia zasilającego.  

 

IV.   PROGRAM  ĆWICZENIA 

Do  badania  prostowników  należy  przyjąć,  że  odbiornik  prądu  stałego  jest 

rezystancyjny  o  rezystancji  R

O

,  którą  można  zmieniać  dzięki  zastosowaniu 

rezystora  (opornika)  suwakowego.  Dołączane  do  odbiornika  R

O

  kondensatory 

i dławik (cewka indukcyjna) pełnią funkcje układów filtrujących. 

Program  badań  dotyczy  każdego  prostownika  spośród  przedstawionych  na 

rys. 1. z odbiornikiem rezystancyjnego: 

 

  - bez filtru, 

 

- z filtrem pojemnościowym, 

 

- z filtrem indukcyjnym, 

 

- z filtrem mieszanym typu 

 lub z filtrem typu 



 

background image

 

19 

Program badania prostowników 

1. Zapoznać się szczegółowo ze stanowiskiem laboratoryjnym. 

2. Połączyć układ pomiarowy do badania prostownika:   

- jednopulsowego według schematu z rys. 12, 

 

- dwupulsowego według schematu rys. 13. 

 

 

Schematy układów pomiarowych 

 

 

Rys. 12. Schemat układu do badania prostownika jednopulsowego. 

 

 

Rys. 13. Schemat układu do badania prostownika dwupulsowego mostkowego. 

 

background image

 

20 

Wyjaśnienia do schematów pomiarowych 

V1  -  woltomierz  magnetoelektryczny  do  pomiaru  wartości  średniej  napięcia  na 

odbiorniku U

ośr

V2 - woltomierz  elektromagnetyczny  do  pomiaru  wartości  skutecznej  napięcia 

odbiornika U

osk

A1, A3 - amperomierze  magnetoelektryczne  do  pomiaru  wartości  średnich 

odpowiednio prądu      jednej diody I

Dśr

 i prądu odbiornika I

ośr

A2, A4 - amperomierze  elektromagnetyczne  do  pomiaru  wartości  skutecznych 

odpowiednio prądu jednej diody I

Dsk

 i prądu odbiornika I

osk

Połączenie  układów  zgodnie  z  rysunkami  12,  albo  13  umożliwia  badanie 

prostowników z odbiornikiem rezystancyjnym R

O

 bez filtru. Zaciski 3,4 powinny 

być ze sobą połączone. Opornik odbiornika o nastawianej wartości (suwakowy) 

należy przyłączyć pomiędzy zaciski zr1, zr2.  

W  celu dołączenia filtru pojemnościowego z kondensatorem C1 (odbiornik 

RoC) należy dodatkowo połączyć, zgodnie z oznaczeniami na schematach, punkt 

3  albo  punkt  4  z  punktem  z1.  Dołączenie  dwóch  kondensatorów  jednocześnie 

i powiększenie  pojemności  filtru  możliwe  jest  przez  połączenie  punktów  3  i  4 

odpowiednio z punktami z1 i z2. 

W celu dołączenia filtru indukcyjnego L, (odbiornik RoL) dławik L (zaciski 

3’,4’)  należy  włączyć  pomiędzy  punkty  3 i 4 po wcześniejszym ich rozłączeniu 

(połączenie szeregowe RoL dławika z odbiornikiem rezystancyjnym).  

Żeby  uzyskać  filtr  mieszany  typu  gamma  (odbiornik  RoCL)  należy  do 

szeregowego połączenia RoL dołączyć równolegle do odbiornika Ro kondensator 

C1  albo  C2,  tj.  połączyć  zacisk  z1  albo  z2  z  zaciskiem  4.  Można  dołączyć 

obydwa kondensatory C1 i C2 połączone ze sobą równolegle. W tym celu należy 

zaciski  z1  i  z2  połączyć  z  zaciskiem  4.  Filtr  mieszany  typu  pi  ( odbiornik 

RoCLC)  uzyskać  można  przez  dołączenie  kondensatorów  C1  i  C2 

do połączonych    szeregowo  RoL.  W  tym  celu    należy  połączyć  zacisk  z1 

z punktem 3 z a zacisk z2 z punktem 4. 

background image

 

21 

 

UWAGA!   Wszystkie  przełączenia  w  badanym  układzie  należy  wykonywać 

przy odłączonym napięciu zasilającym. 

 

3. Za pomocą oscyloskopu zaobserwować i zarejestrować przebiegi: 

-  napięcia i prądu zasilającego prostownik, 

-  napięcia i prądu na wyjściu prostownika, 

-  napięcia i prądu odbiornika, 

-  napięcia i prądu jednej diody, 

-  napięcia i prądu elementów filtrujących. 

 

UWAGA!  Oscyloskopem  należy  posługiwać  się  zgodnie  ze  wskazówkami 

Prowadzącego  ćwiczenie.  Oscylogramy  można  zarejestrować  za 

pomocą  własnego  aparatu  fotograficznego  albo  wykorzystać 

zewnętrzną pamięć USB (własną). 

 

4. Zmierzyć,  tzn.  odczytać  wskazania  woltomierzy  i  amperomierzy  –  w  warun-

kach pracy układu ustalonych przez Prowadzącego i wyniki pomiarów wpisać 

do Tabeli 1. 

-    wartość średnią napięcia na odbiorniku – Uośr, 

-  wartość skuteczną napięcia na odbiorniku - Uosk,  

-  wartość średnią prądu jednej diody – I

D

śr, 

-  wartość skuteczną prądu jednej diody – I

D

sk, 

-  wartość średnią prądu odbiornika – Iośr, 

-  wartość skuteczną prądu odbiornika – Iosk. 

 

 
 
 
 

background image

 

22 

 
 

Tabela 1 - wyniki pomiarów i obliczeń 

 

 

wyniki pomiarów 

wyniki obliczeń 

 

 

V1 

V2 

A1 

A2 

A3 

A4 

I

Dśr

 

I

ośr

 

I

Dsk 

I

osk

 

U

ośr

 

U

osk

 

k

t

 

 

 

U

ośr

   U

osk

  I

Dśr

 

I

Dsk

 

I

ośr

 

I

osk

 

 

odb. 

 

R

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  RoCL 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RoCLC 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  RoCL 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  R

O

CLC 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1- prostownik jednopulsowy,   

2 - prostownik dwupulsowy 

 

 

4. Wykonać pomiary do wyznaczania charakterystyki zewnętrznej (obciążenia) 

prostownika, U

ośr

 = f(I

ośr

)  i  U

osk

 = f(I

osk

). 

Wartości  średnią  i  skuteczną  prądu  odbiornika  należy  zmieniać  przez  zmianę 

rezystancji  R

0

,  tzn.  zmianę  położenia  suwaka  opornika  suwakowego.  Wyniki 

pomiarów wpisać do Tabeli 2. 

 

Tabela 2 - wyniki pomiarów do wyznaczenia charakterystyki zewnętrznej 

I

ośr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

ośr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

osk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

osk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

23 

Opracowanie  wyników  pomiarów  uzyskanych  w  punktach  2,  3,  4  i  5 

programu badań prostowników 

 

Punkt 2. programu badań. 

1.  Narysować schematy badanych układów. 

2.  Schematy podpisać, wymienić elementy układu i podać dane elementów. 

 

Punkt 3. programu badań 

1.  Umieścić na papierze zarejestrowane przebiegi napięć i prądów. 

2.  Każdy oscylogram podpisać (kanał 1, kanał 2).  

3.  Z  oscylogramów  napięcia  i  prądu  odbiornika  odczytać  największą 

i najmniejszą wartość chwilową napięcia i prądu. 

4.  Dla  napięcia  na  odbiorniku  obliczyć       

U

o

  =  (U

omax

  –  U

omin

)  oraz  inną 

postać współczynnika tętnienia napięcia,      

%

100

1

ośś

o

t

U

U

k

5.  Z  oscylogramów  prądu  i  napięcia  jednej  diody  odczytać  czas  trwania 

przewodzenia  diody  w  jednym  okresie  -  t

D

.  Odczytać  maksymalną 

bezwzględną wartość napięcia wstecznego na jednej diodzie – U

Dmax

6.  Wyniki odczytów i obliczeń umieścić w Tabeli 3. 

7.  Porównać warunki pracy każdej diody w badanych prostownikach. 

 

Punkt 4. programu badań 

1.  Obliczyć  wartości  podane  w  Tabeli  1  w  części  „wyniki  obliczeń”. 

W obliczeniach  przyjąć  wartość  skuteczną  napięcia  zasilającego 

prostownik   U = 24V

2.  Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w Tabeli 1. 

3.  Porównać uzyskane wyniki obliczeń    I

Dśr 

/ I

ośr 

   oraz   I

Dsk 

/ I

osk,, 

   U

ośr

/U,    

U

osk

/U. (Omówić wyniki porównania). 

background image

 

24 

4.  Obliczyć  współczynnik  tętnień  (k

t

)  napięcia  odbiornika  według  wzoru: 

 

 

 

 

Punkt 5. programu badań  

1.  Na  podstawie  wyników  pomiarów  z  Tabeli  2  wykreślić  charakterystyki 

zewnętrzne U

ośr

 = f(I

ośr

), w jednym układzie współrzędnych dla wszystkich 

badanych układów. Wykresy wykonać na papierze milimetrowym. 

2.  Na  podstawie  charakterystyk  zewnętrznych  porównać  cechy  badanych 

prostowników jednofazowych jako źródeł napięcia stałego. 

 

 

Tabela 3 - wyniki odczytów i obliczeń 

 

 

wyniki odczytów 

wyniki obliczeń 

 

 

U

omin

 

U

oma

x

 

I

Dmin

  I

Dmax

  I

omin

  I

omax

 

t

D

 

t

k

t1

 

k

t

 

 

 

 

odb. 

ms 

 

R

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  RoCL 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RoCLC 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2  R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  RoCL 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

O

CLC 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1- prostownik jednopulsowy,   

2 - prostownik dwupulsowy 

 

We wnioskach z ćwiczenia  

Ocenić  jakość  przetwarzania  napięcia  przemiennego  na  napięcie  stałe 

w badanych układach na podstawie współczynników tętnienia napięcia (k

t1

 i k

t2

oraz charakterystyk zewnętrznych. 

Podać zalety i wady badanych układów prostowniczych. 

background image

 

25 

 

VI.  LITERATURA 

1. Zbiorowy  (Hempowicz  P.  i  inni):  Elektrotechnika  i  elektronika  dla 

nieelektryków. PWN, Warszawa, 1999. 

2. Kaźmierkowski  M.  P.,  Matysik  J.  T.:  Wprowadzenie  do  elektroniki  i 

energoelektroniki. OWPW, Warszawa 2005. 

3. Przezdziecki  F.,  Opolski  A.:  Elektrotechnika  i  elektronika.  PWN,  Warszawa, 

1986. 

4. Jaczewski  J.,  Opolski  A.,  Stoltz  J.:  Podstawy  elektroniki  i  energoelektroniki. 

WNT, Warszawa, 1981. 

5. Koziej E., Sochoń B.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa 1982.