Ćwiczenie 7 Układy prostownicze i stabilizatory napięcia

Katedra Chemii Fizycznej
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
Elektrotechnika i Elektronika
Ćwiczenie 7
Układy prostownicze i stabilizatory napięcia
1
WSTĘP TEORETYCZNY
Niektóre przemysłowe procesy technologiczne takie jak:
 elektroliza,
 galwanizacja
 jak również wszelkie urządzenia elektroniczne wymagają zasilania
napięciem stałym.
Na
rys.
1.
przedstawiono
układ
przetwarzania
jednofazowego
napięcia
zmiennego 220V/5OHz na napięcie stałe. Jest to tak zwany zasilacz sieciowy.
Napięcie
ul
prostowniczy,
z
uzwojenia
który
wtórnego
wytwarza
transformatora
napięcie
podawane
jednokierunkowe
jest
oz.
na
Można
układ
je
stosować np. do ładowania akumulatora samochodowego.
Po zastosowaniu układu filtrującego otrzymuje się napięcie 03, będące sumą pewnego
napięcia stałego Uo i napięcia Ut, ,,tętniącego" wokół wartości Um przy czym
na ogół amplituda tętnień jest dużo mniejsza od Uo.
Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza sieciowego.
Częstotliwość tętnień zależy od rodzaju zastosowanego układu prostowniczego:
 50 Hz w układzie jednopołówkowym,
 100 Hz w dwupołówkowym
a ich amplituda - od parametrów filtrów oraz prądu pobieranego przez obciążenie.
Napięcie u3 można z powodzeniem stosować np. do zasilania końcowych stopni mocy we
wzmacniaczach akustycznych lub do zasilania układów elektronicznych o niewielkim, stałym
poborze prądu. Jeżeli napięcie u3 ulega
zbyt dużym zmianom wynikającym z wahań
napięcia sieci, zmian prądu obciążenia lub nadmierne amplitudy tętnień, to koniecznym jest
stosowane dodatkowego bloku zasilacza, tzw. stabilizatora napięcia stałego.
Jakość napięcia stałego U4 otrzymanego na jego wyjściu jest już zbliżona do
2
jakości
napięcia
uzyskiwanego
z
chemicznych
źródeł
zasilania.
W
ćwiczeniu
omówione zostaną w uproszczony sposób niektóre układy prostownicze, pojemnościowy filtr
tętnień i 3 typy stabilizator6w napięcia stałego.
UKLADYP ROSTOWNICZE.
Prostownik jednopołówkowy.
Na rys. 2. przedstawiono układ jednopołówkowego prostownika, napięcia oraz
przebiegi napięć i prądów w układzie. Zakłada się, że zastosowana dioda prostownicza
ma rezystencję RF przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, natomiast przy polaryzacji
zaporowej stanowi rozwarcie. Założenie takie jest uzasadnione, jeżeli amplituda napięcia
na uzwojeniu wtórnym transformatora jest dużo większa od tzw. napięcia odcięcia diody
(ok. 0.6 V dla diody krzemowej).
Rys. 2. Prostownik jednopołówkowy i przebiegi napięć i prądu w układzie.
Jeżeli
napięcie
na
uzwojeniu
wtórnym
transformatora
3
zapiszemy
jako
u = Um sinωt, to prąd płynący w obwodzie prostownika ma postać:
i można ją zmierzyć jedynie miernikiem wartości skutecznej prądu zmiennego drogim i
bardzo
rzadko
stosowanym
przyrządem.
Uwzględniając,
że
Uo
=
IoRo, otrzymać można na podstawie wzorów (2) i (3) następującą zależność:
i (t )  I m  sin t
0  t  
i (t )  0
  t  2
3
gdzie: I m 
Dla
Um
R F  R0
Um = const, napięcie na obciążeniu maleje więc liniowo ze wzrostem prądu
obciążenia I0. Zauważmy na koniec, ze pominięta tutaj rezystancja uzwojenia wtórnego może
być włączona do rezystancji diody RF.
2.2. prostowniki dwupołówkowe.
Na rys. 3 przedstawiono dwa podstawowe układy prostownika
dwupołówkowego.
Rys. 3. Prostowniki
dwupol6wkowe:a) układ z odczepem,
b) układ mostkowy
Układ z odczepem na uzwojeniu wtórnym transformatora (rzadziej stosowany) składa się z
dwóch diód przewodzących na przemian. Dla dodatniego półokresu napięcia u przewodzi
dioda DI, dostarczając do ob obciążenia prądu il. W ujemnym półokresie napięcia u
przewodzi dioda D2, dostarczając prąd iz. Przez obciążenie płynie więc prąd i = ii + iz.
Stosując wzory definicyjne / 3 / i / 4 / można obliczyć wartość średnią prądu obciążenia.
4
I0 
2I m

Oraz jego wartość skuteczną:
Is 
Im
2
Wartość średnia napięcia na obciążeniu Ro prostownika dwupołókowego wynosi tutaj:
U0 
2U m

 I 0 RF
a więc jest dwukrotnie większa od napięcia z prostownika jednopołówkowego.
Układ z rys. 3a jest rzadko stosowany ze względu na konieczność stosowania
transformatora z odczepem oraz diód o dużym napięciu wstecznym: szczytowe napięcie
zwrotne na każdej diodzie ma wartość 2Um. Znacznie korzystniejszym i szeroko stosowanym
jest układ z rys. 3b, zwany
prostownikiem mostkowym (lub prostownikiem Graetza).
Kwartety diodowe są wykonywane w postaci monolitycznej i dostępne w szerokim zakresie
prądów i napięć zwrotnych. Diody w układzie mostkowym przewodzi parami: dla przykładu,
linią przerywaną zaznaczono przepływ prądu w układzie dla dodatniego półokresu napięcia u.
Przewodzą wtedy diody D1 i D3, natomiast diody D2 i D4 są spolaryzowane zaporowo. Dla
ujemnego półokresu napięcia u sytuacja jest odwrotna: przewodzą diody D 2 i D4 zapewniając
ten sam kierunek przepływu prądu przez obciążenie R0. Cechą charakterystyczną prostownika
dwupołówkowego jest to, ze prąd płynący w obu uzwojeniach transformatora jest - w
odróżnieniu od prostownika jednopołówkowego i układu z odczepem transformatorowym prądem sinusoidalnym. Może tracona w rdzeniu transformatora jest więc mniejsza i można
stosować mniejsze i lżejsze transformatory. Zauważmy też, ze w układzie mostkowym
maksymalne napięcie zwrotne na każdej diodzie wynosi Um.
Powielacze napięcia.
Znane są układy, które wytwarzać mogą stałe napięcie wyjściowe o wartości Uo ≈ nUm,
gdzie n = 2,3,4 .... typowe konfiguracje takich układów przedstawiono na rys. 4.
5
Rys. 4. Powielacze napięcia: a) podwajacz w układzie mostkowym, b) powielacz napięcia (n
= 2,3,4.....)
W układzie mostkowym z rys. 4a, w dodatnim półokresie napięcia U przewodzi dioda
D1 ładując kondensator C1 do napięcia szczytowego Um, natomiast w ujemnym półokresie
napięcia u przewodzi dioda D2, lądując kondensator C2 do takiego samego napięcia. Przy
niewielkim prądzie obciążenia I0, napicie na obciążeniu wynosi więc Uo ≈ 2Um . Na
rysunku 4 b pokazano strukturę powielacza napięcia, pozwalającą na uzyskanie napięcia
2Um, 3Um, 4Um ltd. W ujemnym półokresie napięcia U kondensator C1 ładowany jest
poprzez diodę DI do napięcia szczytowego Um. W dodatnim półokresie napięcia u,
kondensator C2 i diodę D2 do napięcia 2Um. W węźle 2 układu otrzymujemy więc napięcie
Uz ≈ 2Um,
oczywiście pod warunkiem niewielkiego prądu obciążenia. Analogiczne
rozumowanie wykazuje, ze rozbudowanie układu o dodatkowe "piętra" (C3-D3, C4-D4 itd.)
umożliwia uzyskanie napięć 3Um, 4U m ltd. w kolejnych węzłach układu.
Filtr pojemnościowy
Zadaniem filtru stosowanego po układzie prostowniczym jest zapewnienie ciągłości
prądu pobieranego przez obciążenie. W przypadku idealnym, napięcie na wyjściu filtra
powinno mieć wartość stałą, niezależnie od czasu. Najprostszy miernik napięcia
wyprostowanego stworzyć można przez dołączenie kondensatora o dużej pojemności C do
wyjścia układu prostowniczego.
6
Rys. 5 Filtr pojemnościowy
Przebiegi
czasowe
na
rys.
5
ilustrują
sytuację
w
przypadku
prostownika
dwopołówkowego. Jak widać, kondensator jest ładowany w czasie Tl prądem i1,
stanowiącym część prądu i pobieranego w tym czasie z prostownika. W czasie T2
kondensator rozładowuje się prądem i2 płynącym przez obciążenie Ro. Zauważmy, ze prąd i
/ t /pobierany z prostownika ma charakter impulsowy. Im większa wartość C, tym większa
wartość szczytowa Im impulsów ~prądowych, a jednocześnie tym krótszy czas przewodzenia
Tl diody prostownika.
W celu wyznaczenia wartości średniej Uo napięcia wyjściowego zastosujemy
uproszczenia, polegające na zastąpieniu rzeczywistego przebiegu napięcia no / t / odcinkami
liniowymi. Dla dużych wartości C, tzn dla
CR0  1
Oznaczając międzyszczytową wartość tętnień napięcia wyjściowego przez Ut, wartość
średnią napięcia możemy więc zapisać jako:
U0 Um 
Ut
2
7
Ponieważ T2 >> Tl , więc wartość Ut można wyznaczyć jako zmianę napięcia na
kondensatorze spowodowaną jego rozładowaniem prądem obciążenia I0
U0  Um 
I0
4 fC
Jak widać, prostownik dwupołówkowy z filtrem pojemnościowym można przedstawić w
uproszczeniu jako źródło napięcia stałego Um o rezystancji wewnętrznej
Rw 
1
, tak
4 fC
jak to przedstawiono na rys. 6.
Rys. 6 Układ zastępczy prostownika z filtrem pojemnościowym.
Stabilizatory napięcia stałego
Jak juz wspomniano, stabilizatory napięcia stałego mają za zadanie ograniczenie wpływu
wahań napięcia sieci oraz zmian prądu obciążenia na wartość stałego napięcia zasilania Uo.
Omówimy tutaj jedynie układy stabilizatorów napięcia dodatniego o działaniu ciągłym. Opis
bardziej "wyrachowanych" i sprawniejszych energetycznie stabilizator6w typu impulsowego z
kluczowaniem / znaleźć można w literaturze tematu.
Podstawowe parametry stabilizatorów.
Napięcie wyjściowe Uo stabilizatora jest funkcją napięcia wejściowego Ui, prądu obciążenia
i0 i temperatury T:
W stałej temperaturze otoczenia / np. w warunkach laboratoryjnych / można przyjąć kT =
8
0. parametry kn i ro stabilizatora można wówczas łatwo określić w drodze pomiarowej, np. na
podstawie charakterystyk statycznych przedstawionych na rys. 7.
Rys. 7. Charakterystyki statyczne stabilizatorów napięcia dla KT = 0
Parametry te określane są zwykle dla normalnych wartości napięć i prądu obciążenia
Uin, Uon,Ion
Schemat ideowy i realizację ukladów przedstawiono na rys. 13 i 14. Sekcja prostowników
zawiera 2 prostowniki, które umożliwiają utworzenie 3-ch uklad6w prostowniczych;
jednopolówkowego (JP), dwuołówkowego w układzie mostkowym (DP) oraz podwajacza
napięcia (x2). Wszystkie prostowniki zawierają filtr pojemnościowy ze wstępnym
obciążeniem w postaci rezystora 10 kOhm. Sekcja stabilizatorów zawiera stabilizator
równolegly
/1/,
monolitycznym 723
stabilizator szeregowy /2/ oraz stabilizator szeregowy w układzie
/31. Przełącznik P spełnia dwie funkcje: dołącza wejście sekcji
stabilizatorów do wybranego układu prostowniczego oraz przystosowuje obciążenie Ru do
mniejszych napięć uzyskiwanych na wyjściach poszczególnych stabilizatorów.
OPRACOWANIE WSTEPNE (w domu).
Prostowniki
Określić wartość napięcia stałego oraz międzyszczytowe wartości napięcia tętnień
9
wszystkich uklad6w przy nominalnym obciążeniu Io= 30 mA. W trakcie obciążeń założyć
Uz = loV (warto skuteczna) oraz RF = SOW
Stabilizatory
a) Określić napięcie wyjściowe poszczególnych układów przy braku obciążenia
b) Dla układów 1 i 2 określić wartość współczynników stabilizacji napięcia i rezystancji
wyjściowych. W trakcie obliczeń przyjąć następujące założenia
nominalne napięcie wyjściowe, Ui = 13V,
nominalny prąd obciążenia, L = 3OmA
rezystancja diody Zenera, rz = 35W
współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora 2N2219, hr > 30
POMIARY I OPRACOWANIE (praca domowa)
Uwaga:
Przed przystąpieniem do pomiarów upewnić się, że: pokrętło
autotransformatora ustawione jest w pozycji ZERO przełącznik P jest otwarty /
położenie w górę / potencjometr 4k7 jest ustawiony w skrajnej pozycji w lewo
maksymalna rezystancja obciążenia /. Ostrzeżenie: Do zacisków Uz można
dołączyć jedynie omomierz napięcia zmiennego o izolowanych od masy zaciskach
pomiarowych !
Prostowniki
Wykonać połączenie według rys.8. Dla każdego układu prostowniczego z filtrem
przeprowadzić następujące pomiary i obserwacje:
a) zmierzy zależność napięcia wyjściowego Us od prądu obciążenia Io, utrzymując przy
pomocy autotransformatora napięcie wyjściowe Uz = Iov,
b) zmierzyć przy pomocy oscyloskopu międzyszczytową wartość napięcia tętnienia dla Io
= 30 mA,
c) zaobserwować zmiany napięcia tętnień w zależności od zmian prądu obciążenia.
10
Wyniki pomiarów Us = Us/lo/ przedstawić na wspólnym wykresie. Porównać wyniki
pomiar6w z obliczeniami wykonanymi w domu i przedyskutować różnice.
Stabilizatory
Wykonanie połączenia według rys. 9. ustawić przełączniki prostownik6w w pozycji DP, a
przełącznik P w pozycji załączonej (w dół). Zauważyć, że napięcie wejściowe Ui
stabilizatorów jest teraz równe napięciu wyjściowemu Us prostownika dwupołówowego z
filtrem pojemnościowym. Dla każdego stabilizatora wykona następujące pomiary:
a) utrzymując minimalny prąd obciążenia, zmierzyć zależność napięcia wyjściowego Uo
od napięcia wejściowego Ui,
b) utrzymując nominalna wartość napięcia wejściowego Ui, = 13V, zmierzyć zabieżność
napięcia wyjściowego Uo od prądu obciążenia Io,
c) utrzymując Ui, = 13V, zmierzyć przy pomocy oscyloskopu wartość tłumienia tętnień,
do stosunku napicia tętnień na wyjściu stabilizatora do tętnień na jego wejściu.
Pomiar przeprowadzić przy minimalnym prądzie obciążeniu oraz przy I = 30mA
Wyniki pomiarów z punkt6w a) i b) przedstawi na wspólnych wykresach.
11
Rys. 8. Schemat ideowy badanych układów.
Rys. 9. Rozmieszczenie przełączników i gniazd pomiarowych.
12
WOLTOMIERZ
NAPIĘCIA
ZMIENNEGO
WOLTOMIERZ
NAPIĘCIA
STAŁEGO
AMPEROMIERZ
PRĄDU
STAŁEGO
OSCYLOSKOP
Rys. 10. Pomiar prostowników – schemat połączeń.
WOLTOMIERZ AMPEROMIERZ WOLTOMIERZ
NAPIĘCIA
PRĄDU
NAPIĘCIA
ZMIENNEGO
STAŁEGO
STAŁEGO
OSCYLOSKOP
Rys. 11. Pomiar stabilizatorów – schemat połączeń.
13