Badanie szeregowego układu RLC zasilanego prądem zmiennym

Ćwiczenie 2
BADANIE WŁASNOŚCI OBWODÓW PRĄDU ZMIENNEGO
Wersja C
Temat: Badanie prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego.
1 Cel ćwiczenia:
Ćwiczenie obejmuje poznanie budowy i działania diody półprzewodnikowej, jej danych
znamionowych (katalogowych), oraz poznanie właściwości układów prostowniczych jak
również zbadanie wpływu filtrów na wartości średnie i skuteczne wyprostowanego prądu i
napięcia. Na podstawie otrzymanych wyników i obserwacji na oscyloskopie obliczenie np.
współczynnika tętnień.
2 Wprowadzenie (przypomnienie podstawowych zależności)
W obwodach elektrycznych spotykamy trzy grupy elementów – element rezystancyjny
Rezystor R zwany oporem czynnym (odpowiada za pracę i ciepło), element pojemnościowy
(kondensator) i element indukcyjny (cewka). Pojemność C oraz indukcyjność L określają
zdolność obwodu elektrycznego do magazynowania energii pola elektrycznego lub
magnetycznego.
Kondensator C –układ dwóch okładzin oddzielonych izolatorem- do którego doprowadzono
CU 2
napięcie U magazynuje energię pola elektrycznego We=
przy zgromadzonym ładunku
2
u
Q= CU i prądzie ładowania i= C
t
Cewka L –zwoje z drutu nawinięte na rdzeniu powietrznym, stalowym- przez którą płynie
LI 2
prąd I magazynuje energię pola magnetycznego Wm=
przy wytworzonym strumieniu
2
i
magnetycznym Φ=LI = Bs i napięciu indukowanym na jej końcach u=- L
u
Każdy z tych elementów stanowi przeszkodę dla płynącego prądu – ma opór:
U
l
R= R =
- opór czynny (omowy)
s
IR
U
1
1
Xc= c =
=
-opór bierny pojemnościowy, reaktancja pojemnościowa
C
Ic
2fC
XL=
UL
IL
= L = 2fL
- opór bierny indukcyjny, reaktancja indukcyjna
Znając te zależności po odpowiednim przekształceniu można wyznaczyć metodą techniczną
I
U
(pośrednią) wartości C kondensatora i L cewki indukcyjnej : C=
, L=
2fU 
2fI 
Opór wypadkowy całego obwodu RLC nazywany jest impedancją Z i mierzony w Ω.
Odwrotność impedancji to admitancja Y.
Materiały pod względem elektrycznym podzielono na przewodniki ( maja dużo elektronów
swobodnych), izolatory czyli dielektryki (prawie brak elektronów swobodnych) i tzw.
półprzewodniki ( bardzo mało elektronów swobodnych). Takim materiałem jest np. krzem lub
german. Wtrącając do sieci krystalicznej tych pierwiastków pierwiastki takie jak fosfor, arsen
albo ind, bor wprowadzamy dodatkowe elektrony swobodne ( powstaje półprzewodnik typu
N) lub tzw. dziury ( puste miejsce, substytut plus co daje półprzewodnik typu P). W tak
spreparowanym materiale jest możliwe otrzymanie przepływu prądu jako uporządkowanego
ruchu ładunków elektrycznych. Przez połączenie półprzewodnika typu P z półprzewodnikiem
typu N powstaje złącze P-N co nazywamy diodą półprzewodnikową. Do końcówek diody –
Anody i Katody można przyłożyć napięcie czyli
spolaryzować złącze w kierunku
przewodzenia lub w kierunku zaporowym. Oznacza to, że prąd przez diodę będzie płynął tyko
wtedy gdy Anoda będzie miała potencjał wyższy od Katody o ok. 0,7V dla diody krzemowej
lub ok. 0,4 V dla diody germanowej. Dioda przewodzi prąd jednokierunkowo.
Dioda dla polaryzacji w kierunku przewodzenia wykazuje bardzo małą rezystancję i napięcie
zasilające odkłada się prawie w całości na odbiorniku ( spadek napięcia na diodzie to ok. 1V), a
dla polaryzacji zaporowej- bardzo dużą rezystancję i napięcie odkłada się na diodzie.
Prostowniki to urządzenia przetwarzające prąd przemienny, dwukierunkowy na
jednokierunkowy. Podstawowe elementy układów prostowniczych to:
 Transformator – urządzenie o dwóch uzwojeniach na rdzeniu stalowym, który
dopasowuje napięcie sieci zasilającej prądu przemiennego do wymaganej wartości na
odbiorniku oraz separuje ( oddziela) obwód odbiornika od sieci prądu przemiennego.
 Diody i zawory elektryczne- elementy przewodzące prąd jednokierunkowo, których
głównymi parametrami są prąd w kierunku przewodzenia IF i napięcie
wsteczne(zaporowe) UR
 Filtry – układy i elementy które mają zdolność magazynowania energii przy narastaniu
napięcia i oddawaniu jej do odbiornika przy opadaniu napięcia. Do budowy filtrów
wykorzystuje się elementy L i C – włączone równolegle (C) lub szeregowo (L) z
odbiornikiem. Filtry zmniejszają skoki napięcia wyprostowanego na odbiornikuwygładzają tętnienia. Skuteczność działania filtra określa współczynnik tętnień
U
wyrażony zależnością: k  T gdzie UT –napięcie tętnień,Uo- napięcie średnie na
UO
odbiorniku, a UT obliczamy U T  U 2 skO  U sr O .
Tętnienia na odbiorniku są tym mniejsze im większa jest wartość L i C w stosunku do
R odbiornika. Ponadto dławik ( L) dla wyższych harmonicznych ma działanie tłumiące
XL= ωL .
2
Liczba zespolona może być zapisana w
trygonometrycznej np. Z= 10+j8
albo
r=
a 2  b 2 -moduł liczby zespolonej
postaci: algebraicznej, wykładniczej,
Z = 10e  j120
Z = r(cosα+jsinα)
α=arctg b/a
Jm
a
Jm
Z
b
r
b=8
r= 10 -120o
Re
a=10
Czyli w elektrotechnice
Re
Z = R +/- j X
Y = G +/- jB
S = P +/- jQ
U = UR+/- jUx
Prostowniki wykorzystujące do prostowania prądu przemiennego – zmiana prądu
dwukierunkowego w jednokierunkowy – diody nazywamy prostownikami niesterowanymi.
Zaś układy prostownicze sterowane zawierają tyrystory, które są elementami przewodzącymi
prąd po spełnieniu dwóch warunków:
- właściwa polaryzacja Anoda- Katoda
- musi być podany impuls zapłonu (załączający) na elektrodę sterującą- bramkę (G)
3 Część pomiarowa
Układ prostowniczy złożony z diody D i rezystora R zasilany jest z sieci za pośrednictwem
transformatora obniżającego napięcie. Prąd I płynący w odbiorniku R ( obciążenie) mierzy się
amperomierzami A1 i A2. Amperomierz A1 to miernik magnetoelektryczny i mierzy wartość
średnią prądu, amperomierz A2 jest miernikiem elektromagnetycznym lub
elektrodynamicznym i mierzy wartość skuteczną prądu. Podobnie woltomierze V1
magnetoelektryczny i V2 – elektromagnetyczny lub elektrodynamiczny mierzą napięcie średnie
i skuteczne.
a) sprawdzić omomierzem przy różnej polaryzacji stan przewodzenia i zaporowy diody
oraz zmierzyć R obciążenia . Znaleźć w katalogu dane znamionowe i parametry
wskazanej diody takie jak IF, IFmax, UFmax, IR, URmax, i inne. Badania wykonać zgodnie z
rys 6, a wyniki zapisać w tabeli 3.
b) Zapoznać się z obsługą i możliwościami oscyloskopu .
c) Po zbudowaniu układu według schematu z rys 4 należy dokonać pomiaru -przy
ustawionym przy pomocy autotransformatora U – napięcia i prądu dla każdego z trzech
odbiorników R, RL i RC, a wyniki zapisać w tabeli 2. Następnie dla obciążenia R i
filtru RC obserwować przebieg na oscyloskopie i wyciągnąć wnioski z kształtu
obserwowanego przebiegu U na odbiorniku. Podobne pomiary wykonać dla 5 różnych
ustawień U zasilania.
d) Zbudować układ wg schematu z rys 5 i postępować podobnie do pkt.c) – tabela 3
e) Na podstawie wyników dokonać obliczenia współczynnika tętnień kT, prądów i napięć
wartości max, napięcia tętnień i napięcia prostowania oraz określić jaki wpływ ma L, C
na kształty i wartości średnie i skuteczne przebiegu napięcia i prądu wyprostowanego.
f) Z obserwacji i pomiarów należy wyciągnąć wnioski i zapisać w sprawozdaniu, które
powinno także zawierać schematy układów pomiarowych i wypełnione tabele. Należy
także opisać zastosowanie układów prostowniczych i krótko omówić prostowniki
sterowane.
po pomiarze U,I podłączamy sondę oscyloskopu i
obserwujemy przebieg z odbiornikiem R i RC