POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH
BADANIE PROSTOWNIKÓW DIODOWYCH
Białystok, 2006
POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH
BADANIE PROSTOWNIKÓW DIODOWYCH
Białystok, 2006
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.
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.:
2
- 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.
3
WIADOMOŚCI PODSTAWOWE
Ogólnodostępnym źródłem energii elektrycznej jest sieć zasilająca
napięcia przemiennego o częstotliwości 50Hz (60Hz). Większość urządzeń
elektrycznych pobiera energię z tej sieci. Większość urządzeń elektronicznych
wymaga zasilania napięciem stałym, stąd układ zasilający jest
przekształtnikiem napięcia przemiennego na stałe. Podstawowym
przekształtnikiem napięcia przemiennego na stałe jest prostownik diodowy.
W ćwiczeniu zajmować się będziemy prostownikiem diodowym
jednofazowym: jednopołówkowym (jednopulsowym) i dwupulsowym
mostkowym.
Prostownik jednopulsowy
Schemat układu jednopulsowego wraz ze sposobami przyłączenia
obciążenia R
O
bezpośrednio i poprzez filtry wyjściowe L i C pokazany jest na
rysunku 1.
Rys.1 Schemat prostownika jednopulsowego wraz z filtrami L,C
Odpowiednie przebiegi dla układu prostownika obciążonego rezystancyjnie
przedstawiono na rys 2
Rys. 2 Przebiegi napięcia transformatora u
Tr
napięcia na obciążeniu u
wy
=u
O
dla
rezystancyjnego obciążenia
4
Napięcie na odbiorniku można zapisać analitycznie w postaci szeregu
harmonicznych:
+
⋅
+
⋅
+
⋅
−
+
=
....
7
5
6
cos
5
3
4
cos
3
1
2
cos
2
sin
2
t
t
t
U
t
U
U
u
m
m
m
wy
ω
ω
ω
π
ω
π
(1)
przy czym U
m
- wartość maksymalna
Składowa stała napięcia u
wy
jest jego wartością średnią i wynosi:
π
m
o
U
U
=
Wartość skuteczna tego napięcia
2
m
sk
U
=
U
Współczynnik tętnień dla takiego obciążenia wyraża się zależnością:
1
2
−
=
O
sk
t
U
U
k
(1a)
Przebiegi dla układu z filtrem pojemnościowym przedstawione są na rys.3
Rys. 3 Przebiegi napięć i prądów dla prostownika jednopulsowego z filtrem
pojemnościowym u
Tr
- napięcie transformatora, u
o
- napięcie na odbiorniku, i
D
- prąd
diody, u
D
- napięcie na diodzie
5
Według powyższych przebiegów możemy stwierdzić, że zmniejszył się
współczynnik tętnień, który może być określony następującą zależnością
przybliżoną:
C
fR
k
O
t
3
2
1
=
lub z przebiegu
O
O
O
t
U
U
U
min
max
k
−
=
(2)
Współczynnik ten zależy od wartości rezystancji obciążenia i od wielkości
pojemności filtru.
Przy
obciążeniu RL możliwe są dwa układy: układ bez diody
rozładowczej i układ z diodą odpowiednie przebiegi przedstawione są na rys.4
a)
b)
Rys. 4 Przebiegi dla obciążenia RL a) bez diody rozładowczej b) z diodą rozładowczą
Należy zwrócić uwagę, że w pierwszym z tych układów prąd w odbiorniku ma
charakter nieciągły, zaś w drugim ciągły. Współczynnik tętnień dla układu
L,Ro z diodą rozładowczą wyraża się przybliżoną zależnością:
L
R
k
O
t
πω
3
2
=
lub z przebiegu
O
O
O
t
U
U
U
k
min
max
−
=
(3)
6
Prostownik dwupulsowy mostkowy
Schemat układu składającego się z prostownika, dla trzech sposobów
przyłączenia obciążenia poprzez filtry przedstawiono na rys. 5
Rys. 5 Schemat prostownika mostkowego z obciążeniem Ro lub CRo lub LCRo
Przebieg napięcia na odbiorniku przy obciążeniu bez filtru przedstawiony jest
na rys. 6
Rys. 6 Przebieg napięcia wyprostowanego przy obciążeniu Ro
Wartość średnia napięcia wyjściowego wynosi:
π
m
wy
o
U
U
2
=
=
U
zaś jego
wartość skuteczna
2
m
sk
U
=
U
, natomiast wartość chwilowa opisana jest
szeregiem trygonometrycznym:
+
⋅
+
⋅
+
⋅
−
=
....
7
5
6
cos
5
3
4
cos
3
1
2
cos
4
2
t
t
t
U
U
u
sm
sm
wy
ω
ω
ω
π
π
(4)
gdzie:
U
- wartość maksymalna sinusoidalnego napięcia zasilającego.
sm
7
Poza składową stałą :
π
sm
U
2
0
=
U
występują w napięciu wyższe
harmoniczne, z których znaczną amplitudę posiada druga harmoniczna
U
o
częstotliwości 100Hz
2
sm
3
2
0
2
=
U
U
m
.
Współczynnik tętnień dla układu dwupulsowego będzie dwa razy mniejszy
i możemy go wyznaczyć z zależności (1a)
Zadaniem filtrów
jest minimalizacja harmonicznych w napięciu
wyjściowym. W przypadku najprostszym filtr wyjściowy składa się tylko z
pojemności
. Wówczas przebieg napięcia wyjściowego dla tego układu
przedstawia rys.7.
L C
C
s
o
t 0
t 1
t2
t 3
t 4
i C
i
u
o
i
Rys. 7 Przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie prostownika diodowego z filtrem
pojemnościowym
Kondensator jest ładowany prądem z sieci w chwilach
t
1
t
t
o
≤
≤
,
, itd. Natomiast w chwilach
t
3
2
t
t
t
≤
≤
2
1
t
t
≤
≤
,
4
t
3
t
t
≤
≤
itd. jest
rozładowywany prądem ze stałą czasową
.
C
R
0
Współczynnik tętnień dla tego układu wynosi:
8
C
fR
k
O
t
3
4
1
=
(5)
W układach prostownikowych ważne jest także odkształcenia prądu
wejściowego prostownika. W układzie bez filtra prąd ten jest w przybliżeniu
sinusoidalny, natomiast dla układu z filtrem pojemnościowym prąd
pobierany z transformatora jest prądem zniekształconym i znacznie
odbiegającym od przebiegu sinusoidalnego (prąd i
s
i
S
rys 7).
Stopień zniekształcenia tego prądu jest określony poprzez ogólny
współczynnik zniekształcenia THD (Total harmonic distortion) zdefiniowany
jako:
( )
100
%
1
2
2
⋅
∑
=
∞
=
sm
k
smk
J
J
THD
, (6)
gdzie:
- amplitudy kolejnych harmonicznych pasożytniczych w prądzie
sieci,
smk
J
- amplituda podstawowej harmonicznej w prądzie sieci.
1
sm
J
Ponieważ impedancja sieci (+rezystancja i reaktancja rozproszenia
uzwojeń transformatora) zasilającej prostownik jest różna od zera wyższe
harmoniczne prądu, wywołując spadki na tej całkowitej impedancji, prowadzą
do zniekształcenia napięcia sieci. Dlatego to wprowadzone są odpowiednie
normy określające dopuszczalną wartość współczynnika THD w prądzie
pobieranym z sieci.
Drugą określaną wielkością charakterystyczną jest wejściowy
współczynnik mocy PF (power factor) określany jako stosunek pobieranej
mocy czynnej P do iloczynu voltamperów
U
s
s
I
⋅
:
s
s
I
U
P
PF
⋅
=
, (7)
gdzie:
U
- wartość skuteczna napięcia i prądu sieciowego.
s
s
I
,
Ponieważ
∑
=
∞
=1
2
k
sk
s
J
I
, a przy sinusoidalnym napięciu sieci
2
sm
s
U
U
=
, to moc czynna związana jest tylko z podstawową harmoniczną
prądu, stąd możemy zapisać:
9
1
1
cos
2
ϕ
sm
s
J
U
P
⋅
=
, (8)
gdzie:
1
ϕ
- kąt przesunięcia podstawowej harmonicznej prądu w stosunku do
napięcia sieci.
Stąd:
(
)
2
1
2
2
2
1
1
1
1
cos
2
2
2
cos
2
THD
J
J
U
I
U
PF
k
smk
sm
sm
sm
sm
+
=
∑
+
⋅
=
∞
=
ϕ
ϕ
. (9)
Z powyższej zależności wynika, że im większa jest wartość THD, tym
mniejszy jest współczynnik mocy wejściowej PF.
Współczynnik wykorzystania prostownika
UF
(utilization factor)
definiowany jest jako stosunek mocy na wyjściu do iloczyny voltamperów:
PF
U
I
P
P
P
U
I
P
UF
s
s
o
s
s
o
⋅
=
=
=
η
, (10)
gdzie:
P
P
o
=
η
jest sprawnością układu wynikającą z jego strat.
Układem filtru najczęściej stosowanym jest LCRo, gdzie szeregowy dławik jest
o dość dużej indukcyjności schemat takiego układu przedstawiony jest na rys.8a
Us
C
L
Ro Uo
D4
D2
D1
D2
Uwy
is
i
L
~
a)
10
Uo
u
u, i
i s
i s
i L
i C
i
s
u
wy
u
b)
Rys.8. Schemat i przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie prostownika diodowego z
filtrem LC
Odpowiednie przebiegi dla tego układu są przedstawione na rys.8b).
Zakładając, że napięcie na wyjściu układu jest wyfiltrowane i równe
π
sm
U
U
2
0
=
, prąd w indukcyjności L możemy określić równaniem:
⋅
⋅
⋅
+
⋅
⋅
+
⋅
⋅
−
=
=
∫
⋅
⋅
⋅
⋅
+
⋅
+
⋅
−
=
t
t
L
R
U
dt
t
t
U
L
R
U
i
sm
t
sm
sm
L
ω
ω
ω
π
ω
ω
π
π
4
sin
5
4
3
1
2
sin
3
2
1
1
2
1
2
5
3
4
cos
3
1
2
cos
4
1
2
0
0
0
(11)
Jak wynika z powyższego kolejne harmoniczne w prądzie wyjściowym są
minimalizowane odpowiednio poprzez impedancję
L
ω
2
;
L
ω
4
itd. Jeżeli dla
uproszczenia ograniczymy się do składowej stałej, to prąd w indukcyjności
można przybliżyć równaniem:
0
0
2
R
U
I
i
sm
L
π
=
=
. (12)
Przy takim przybliżeniu prąd wejściowy prostownika jest falą prostokątną,
którą można przybliżyć następującym szeregiem Fouriera:
+
+
+
=
....
5
sin
5
1
3
sin
3
1
sin
4
0
t
t
t
I
i
s
ω
ω
ω
π
. (13)
11
Wartość skuteczną prądu o kształcie prostokątnym można wyznaczyć z
definicji jako:
0
0
2
0
0
2
1
1
I
dt
I
T
dt
i
T
J
T
T
s
s
=
∫
=
∫
=
. (14)
Wartość skuteczna podstawowej harmonicznej prądu sieciowego wynosi:
0
1
1
2
4
2
I
J
J
sm
s
π
=
=
. (15)
Stąd ogólny współczynnik zniekształceń:
%
2
,
48
%
100
2
4
8
1
%
100
2
4
8
%
100
%
2
0
2
0
2
2
0
1
2
1
2
=
−
=
−
=
−
=
π
π
π
π
I
I
I
J
J
J
THD
s
s
s
. (16)
Natomiast współczynnik wykorzystania prostownika wynosi:
9
,
0
2
2
2
2
2
0
0
0
0
=
=
=
⋅
=
⋅
=
π
π
sm
sm
sm
s
s
U
U
I
U
I
U
J
U
P
UF
. (17)
Współczynnik wykorzystania prostownika przy założeniu
1
=
η
wypada
więc niewysoki (0,9), a ogólny współczynnik zniekształcenia 48,2% znaczny.
12
Opis stanowiska laboratoryjnego
Na rysunku 6 pokazano widok płyty czołowej stanowiska
laboratoryjnego. Składa się ona z trzech pól. Lewe z nich zawiera układ
sterowania, prawe - część siłową przekształtników, i środkowe z elementami
związanymi z zasilaniem.
Zasilanie w tym ćwiczeniu jest nieco inne niż w innych, które tutaj jest nie
napięciem stałym, lecz przemiennym z sieci, poprzez autotransformator i
transformator. Regulacje tego napięcia zapewnia autotransformator, zaś izolację
galwaniczną transformator o przekładni obniżającej. Układ takiego zasilania
będzie znajdował się poza pulpitem i dołącza się go do zacisków prostownika na
płycie czołowej.
Po prawej stronie płyty czołowej umieszczono elementy, z których łączy się w
trakcie badań różne typy przekształtników. Są tu cztery tranzystory MOSFET
typu IRFP 460, z których każdy ma wyprowadzony dren, źródło i bramkę.
Tranzystory są wewnętrznie dołączone do obwodu sterowania. Łączy się tylko
źródło i dren tranzystora według zadanej konfiguracji przekształtnika. Zacisk
bramki tranzystora służy tylko do obserwacji sygnału sterującego. Sygnał ten
należy oglądać w odniesieniu do masy elektroniki.
Głównymi elementami niezbędnymi do realizacji tego ćwiczenia są diody, które
umieszczone są na pulpicie i z których można łączyć się wymagane układy
prostownicze. Na pulpit wyprowadzone są zaciski do których przyłączone diody
szybkie typu HFA25TB60 i oznaczone są jako D
5
÷ D
16
.
Oprócz elementów półprzewodnikowych na płycie czołowej stanowiska
umieszczono sześć bipolarnych kondensatorów o pojemnościach: 57nF (C
1
),
47nF (C
5
i C
6
) i 10nF (C
2
, C
3
i C
4
). Kondensatory C
7
, C
8
to kondensatory
elektrolityczne o pojemności odpowiednio 100
µ
F i 220
µ
F. Ponadto na płycie
czołowej stanowiska zainstalowano cztery dławiki powietrzne L
1
÷ L
4
o
indukcyjności ok. 10
µ
H oraz dwa dławiki ferromagnetyczne L
5
i L
6
.
Obciążeniem budowanych przekształtników mogą być wbudowane oporniki R
1
i
R
2
o rezystancji 16
Ω
..
Wszystkie obserwacje przebiegów napięć i prądów mogą być
dokonywane za pomocą oscyloskopu. W celu ułatwienia obserwacji
zamontowane zostały przetworniki typu LEM obserwacji prądów (PI
1
÷ PI
5
).
Prawą stronę pulpitu stanowiska laboratoryjnego zajmuje modulator,
generujący impulsy sterujące tranzystorami. Jest on wewnętrznie połączony z
tranzystorami. Modulator jest układem uniwersalnym i może być stosowany do
sterowania różnymi typami przekształtników. Dobór układu sterowania do
przekształtnika odbywa się poprzez wstawienie do gniazda umieszczonego obok
napisu „UKŁAD MODULATORA” odpowiednio spreparowanego wtyku
(klucza) oznaczonego kolejną liczbą. Wtyk ten jest dostępny u prowadzącego
zajęcia. Od gniazda umieszczonego obok napisu „UKŁAD MODULATORA”
rozchodzą się w kierunku poszczególnych pól układu sterowania i
13
potencjometrów numerowane strzałki. Włożenie wtyku z numerem 1 oznacza,
że uaktywni się pole z potencjometrem f
T
, do regulacji częstotliwości napięcia
wyjściowego. Wstawienie wtyku z innym numerem spowoduje zmianę rodzaju
sterowania i uaktywnienie się innych pól.
t
w
t
i
T
f
T
f
m
in
f
m
a
x
f
1
A
k
∆
A
O
fs
t
O
fs
t
P
oz
io
m
k
om
pa
ra
cj
i
sy
gn
ał
u
w
u
kł
ad
zi
e
re
gu
la
cj
i
je
d
no
bi
e
gu
no
w
e
j
je
dn
og
ał
ęz
io
w
e
j
t
i
k
2
4
3
5
5
a
5
b
5b
6a
6
7
8
9
1
U
kł
ad
m
o
d
u
la
to
ra
kT
i u
i
u
E_ 2
E_ 2
P
I
Z
W
Z
S
4
3
2
1
P
N
1
P
P
1
P
P
2
P
P
3
P
R
Z
E
K
S
Z
T
A
Ł
T
N
IK
I
I
M
P
U
L
S
O
W
E
C
3
C
4
D
9
D
1
0
D
11
D
1
2
P
N
2
C
7
C
8
C
9
P
P
4
P
P
5
D
16
R
1
C
5
L1
L
2
L3
L5
L
6
L
4
C
6
R
2
D
1
3
D
14
D
1
5
T
R
1
D
5
D
6
D
8
D
7
C
2
C
1
O
fs
t
Rys. 5. Widok płyty czołowej stanowiska
14
PRZEBIEG ĆWICZENIA
Należy zarejestrować przebiegi czasowe napięć i prądów, wyznaczyć skład
harmoniczny napięć za prostownikiem diodowym jedno- i dwu-pulsowym oraz
na obciążeniu, a także prądu pobieranego z sieci, wyliczyć wartości
współczynnika tętnień k
t
w napięciu wyjściowym i THD% w prądzie
pobieranym z transformatora oraz UF dla następujących układów:
1. Prostownika jednopulsowego obciążonego samą rezystancją R
O
2. Prostownika jednopulsowego z filtrem
dwóch wartości rezystancji
obciążenia R
C
O
.
3. Prostownika jednopulsowego z obciążeniem
,R
L
O
bez- i z diodą
rozłdowczą
4. Prostownika dwupulsowego mostkowego obciążonego samą
rezystancją R
o
,
5. Prostownika dwupulsowego mostkowego z filtrem
C
przy dwóch
wartościach rezystancji obciążenia R
o
.
6. Prostownika dwupulsowego mostkowego z filtrem
dwóch
wartości R
L C
o
Badany układ jest sterowany przy wykorzystaniu klucza nr 8 , w „pudle”.
Należy zwrócić uwagę, aby autotransformator doprowadzający napięcie
sieci był zasilany z tego samego źródła (fazy) co układ sterowania umieszczony
w „pudle”.
LITERATURA
1. R. Barlik, M. Nowak: Poradnik inżyniera energoelektronika . WNT 1998.
2. H. Tunia, B. Winiarski: Energoelektronika. WNT 1994.
3. M. P. Kaźmierkowski, J. T. Matysik: Wprowadzenie do elektroniki i energoelektroniki.
Oficyna Wydawnicza Polit. Warszawskiej, Warszawa, 2005.
4.
J. Baranowski, G. Czajkowski: Układy elektroniczne cz.II Układy analogowe nieliniowe i
impulsowe
WNT Warszawa 1994
Instrukcję opracował:
dr inż. Stanisław Jałbrzykowski
15