POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH
Instrukcje do zajęć laboratoryjnych dla studentów
WYDZIAŁU MECHANICZNEGO
studiów dziennych i zaocznych
z przedmiotów:
ELEKTROTECHNIKA
ELEKTRONIKA
ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA
ĆWICZENIE 8M
PROSTOWNIKI JEDNOFAZOWE I UKŁADY FILTRUJĄCE
Opracowała
dr inż. Zofia Daszuta
BIAŁYSTOK 2000
2
Instrukcja jest własnością Katedry Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych.
Do użytku wewnętrznego katedry.
Powielanie i rozpowszechnianie zabronione
Opracowanie graficzne: inż. Aleksandra Matulewicz
3
I.
WPROWADZENIE
Wiadomości niezbędne do prawidłowej realizacji ćwiczenia
1. Właściwości diody półprzewodnikowej prostowniczej.
2. Budowa i działanie prostowników jednofazowych diodowych:
- jednopulsowych - rys. 1a),
- - dwupulsowych - rys. 1b), rys. 1c).
Rys. 1. Schematy prostowników jednofazowych: a) prostownik jednopulsowy,
b), c) prostowniki dwupulsowe; TR - transformator, D - dioda, odb. -
odbiornik prądu stałego,
u
1
= U
1m
sin t,
= 2 f,
f - częstotliwość napięcia zasilającego,
f = 50 Hz
4
3. Definicje wartości średnich i skutecznych prądu i napięcia zmiennego, np.:
T
0
śr
0
dt
)
t
(
u
T
1
U
;
T
0
2
sk
dt
)
t
(
u
T
1
U
.
4. Właściwości kondensatorów i cewek indukcyjnych w obwodach prądu
stałego i zmiennego.
II. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Praktyczne zapoznanie się z przetwarzaniem prądu i napięcia zmiennego
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.
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 220 V dołączone jest do
zacisków R,0 na tylnej ścianie obudowy.
5
Rys. 2. Widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego.
Z - przycisk włączania napięcia zasilającego - lampka sygnalizacyjna
świeci, gdy napięcie jest dołączone do układu;
W - przycisk wyłączania napięcia zasilającego - lampka sygnalizacyjna
nie świeci, gdy układ jest wyłączony spod napięcia.
Wykaz elementów stosowanych w ćwiczeniu
1. Elementy znajdujące się w obudowie stanowiska laboratoryjnego:
- TR - transformator TS60/9, U
1
= 220V, U
2
= 2 razy 14V, I
2
max
= 1,6A
- D1÷ D4 - diody półprzewodnikowe D22 10R, I
F
= 10A, U
RRM
= 600V
6
- C1, C2 - kondensatory elektrolityczne 220 F, 350V
- L - dławik o indukcyjności około 20 mH
- R
b
- boczniki pomiarowe o rezystancji 0,1 . Bocznik jest to rezystor
stosowany do obserwacji za pomocą oscyloskopu przebiegu prądu w
gałęzi, w której bocznik jest włączony. Spadek napięcia na boczniku (u
b
),
który można bezpośrednio obserwować na ekranie oscyloskopu, jest
wprost proporcjonalny do natężenia prądu w boczniku ( i
b
), tzn. u
b
= R
b
i
b
.
- B1 - bezpiecznik (zabezpieczenie przed przekroczeniem dopuszczalnej
wartości skutecznej prądu pobieranego z sieci).
2. Pozostałe elementy i przyrządy pomiarowe:
- opornik suwakowy o rezystancji maksymalnej większej niż 40 i prądzie
dopuszczalnym powyżej 1 A,
- amperomierze i woltomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości
skutecznych prądu i napięcia,
- amperomierze i woltomierze magnetoelektryczne do pomiaru wartości
średnich prądu i napięcia,
- oscyloskop.
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 w przypadku odbiornika rezystancyjnego:
- bez filtru,
- z filtrem pojemnościowym,
7
- z filtrem indukcyjnym,
- z filtrem mieszanym.
Program badania prostowników
1. Zapoznać się szczegółowo ze stanowiskiem laboratoryjnym.
2. Połączyć układ pomiarowy według schematu wybranego z rys. 3 lub rys. 4,
lub rys. 5.
3. Za pomocą oscyloskopu zaobserwować i zarejestrować przebiegi:
- napięcia zasilającego prostownik
- prądu i napięcia odbiornika
- prądu i napięcia jednej diody
- prądu i napięcia elementów filtrujących
UWAGA! Oscyloskopem należy posługiwać się zgodnie ze wskazówkami
Prowadzącego ćwiczenie.
4. Określić bezwzględną wartość maksymalną napięcia wstecznego na każdej
diodzie, na podstawie zaobserwowanych przebiegów napięć na diodach.
5. Zmierzyć :
a) wartości skuteczne:
- napięcia zasilającego i napięcia odbiornika
- - prądu odbiornika i prądu jednej diody
b) wartości średnie:
- napięcia odbiornika
- - prądu odbiornika i prądu jednej diody
6. Wyznaczyć charakterystyki zewnętrzne (obciążenia) prostownika, tzn.:
U
ośr
= f(I
ośr
) oraz U
osk
= f(I
osk
).
Wartości średnią i skuteczną prądu odbiornika należy zmieniać przez zmianę
rezystancji R
0
, tzn. zmianę położenia suwaka opornika suwakowego.
8
Schematy układów pomiarowych
Rys. 3. Schemat układu do badania prostownika jednopulsowego.
Rys. 4. Schemat
układu
do
badania
prostownika
dwupulsowego
z transformatorem o dzielonym uzwojeniu wtórnym.
9
Rys. 5. Schemat układu do badania prostownika dwupulsowego mostkowego.
Wyjaśnienia do schematów pomiarowych
V1, V3 - woltomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości skutecznych
odpowiednio napięcia zasilającego U
sk
i napięcia odbiornika U
osk
,
V2 - woltomierz magnetoelektryczny do pomiaru wartości średniej napięcia
odbiornika U
ośr
,
A1, A3 - amperomierze elektromagnetyczne do pomiaru wartości skutecznych
odpowiednio prądu jednej diody I
D
sk
i prądu odbiornika I
osk
,
A2, A4 - amperomierze magnetoelektryczne do pomiaru wartości średnich
odpowiednio prądu jednej diody I
D
śr
i prądu odbiornika I
ośr
.
Połączenie układów zgodnie z rysunkami 3, 4 i 5 umożliwia badanie
prostowników z odbiornikiem rezystancyjnym R
O
bez filtru.
W celu dołączenia filtru pojemnościowego należy połączyć, zgodnie
z oznaczeniami na schematach, punkt 3 albo punkt 4 z punktem A. Dołączenie
dwóch kondensatorów jednocześnie i powiększenie pojemności filtru możliwe
jest przez połączenie punktów 3 i 4 z punktem A (połączenie równoległe
kondensatorów z odbiornikiem rezystancyjnym).
10
W celu dołączenia filtru indukcyjnego, dławik L należy włączyć
pomiędzy punkty 1 i 2 po wcześniejszym ich rozłączeniu (połączenie szeregowe
dławika z odbiornikiem rezystancyjnym).
UWAGA! Wszystkie przełączenia należy wykonywać przy odłączonym
napięciu zasilającym.
Opracowanie wyników pomiarów uzyskanych w punktach 3, 4 i 5
programu badań prostowników
1. Porównać wartości średnie i wartości skuteczne prądu jednej diody i prądu
odbiornika przez obliczenie I
D
śr
/ I
ośr
oraz I
D
sk
/ I
osk
.
2. Obliczyć współczynnik tętnień (k
t
) napięcia odbiornika według wzoru:
%
100
U
U
U
k
śr
0
2
śr
0
2
sk
0
t
3. Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli 1.
4. Porównać warunki pracy każdej diody w badanych prostownikach.
5. Ocenić jakość przetwarzania napięcia zmiennego na napięcie stałe
w badanych układach na podstawie współczynnika tętnień.
Tabela 1 - wyniki pomiarów i obliczeń
wyniki pomiarów
wyniki obliczeń
V1 V2 V3 A1 A2 A3 A4 I
Dśr
I
ośr
I
I
osk
U
ośr
U
U
osk
U
U
ośr
U
osk
I
D
sk
I
D
śr
I
osk
I
ośr
U
k
t
odb.
V
V
V
A
A
A
A
-
-
-
-
%
R
O
1 R
O
C
R
O
L
R
O
LC
R
O
2 R
O
C
R
O
L
R
O
LC
1- prostownik jednopulsowy,
2 - prostownik dwupulsowy
11
Opracowanie wyników pomiarów uzyskanych w punkcie 6 programu
badań prostowników
1. Wyniki pomiarów dla każdego badanego układu umieścić w tabeli 2.
Tabela 2 - wyniki pomiarów do wyznaczenia charakterystyki zewnętrznej
I
ośr
A
0
U
ośr
V
I
osk
A
0
U
osk
V
2. 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.
3. Na podstawie charakterystyk zewnętrznych porównać cechy badanych
prostowników jednofazowych jako źródeł napięcia stałego.
V. WYMAGANIA BHP
Układ pomiarowy, do którego jest dostęp w czasie badań, zasilany jest
napięciem przemiennym o wartości skutecznej 14 V albo 28 V. Są to wartości
napięć bezpiecznych. Całe stanowisko laboratoryjne zasilane jest napięciem
o wartości skutecznej 220 V.
Należy zachować środki bezpieczeństwa wynikające z zasad obsługi
stanowisk laboratoryjnych przedstawionych w regulaminie bezpiecznej pracy
w laboratorium, z którym studenci zapoznawani są na pierwszych zajęciach
w semestrze.
12
UWAGA! Kondensatory elektrolityczne stosowane w ćwiczeniu
włączane na napięcie stałe wymagają prawidłowej polaryzacji napięcia
przykładanego do kondensatora. Kondensator należy włączać zgodnie ze
schematem:
VI. LITERATURA
1. Zbiorowy (Hempowicz P. i inni): Elektrotechnika i elektronika dla
nieelektryków. PWN, Warszawa, 1999.
2. Przezdziecki F., Opolski A.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa,
1986.
3. Jaczewski J., Opolski A., Stoltz J.: Podstawy elektroniki i energoelektroniki.
WNT, Warszawa, 1981.
4. Koziej E., Sochoń B.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa 1982.