Analiza układów elektronicznych w dziedzinie czasu (E31).

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu
ZASTOSOWANIE INFORMATYKI W
ELEKTROTECHNICE
Kod przedmiotu:
__________
Ćwiczenie pt.
ANALIZA UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH W
DZIEDZINIE CZASU
Numer ćwiczenia
E31
Autor
mgr inż. Łukasz Zaniewski
mgr inż. Marek Zaręba
Białystok 2007
1. Wprowadzenie
Wszystkie układy elektroniczne wymagają zasilania. Najłatwiejszą metodą
jest zasilenie prosta z sieci elektroenergetycznej. Niekiedy jednak wymagane jest
zasilenie prądem (napięciem) stałym. W takim przypadku używa się
prostowników.
Prostownikiem nazywamy element lub zestaw elementów elektronicznych
służący do zamiany prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy (prąd stały).
Rozróżniamy następujące prostowniki
•
•
•
półokresowy (dla prądu jednofazowego: jednopołówowy)
pełnookresowy (dla prądu jednofazowgo: dwupołówkowy)
wielofazowe (dla prądu np. 3-fazowego: jednopołówowy
dwupołówkowy)
i
Istnieją również prostowniki podwajające, potrajające lub zwielokrotniające
wejściowe napięcie zmienne.
W układach prostownikowych stosowano między innymi:
•
•
•
•
układy elektrochemiczne, w których na jednej z elektrod zanurzonych w
elektrolicie wytwarzała się warstwa zaporowa, blokująca przepływ prądu
w jednym kierunku (przykładowy układ ołów-elektrolit alkaliczny-glin,
niob lub tantal),
lampy (diody próżniowe) prostownicze, w których przy spolaryzowaniu w
kierunku przewodzenia elektrony emitowane przez podgrzewaną
elektrycznie katodę przemieszczają się do spolaryzowanej dodatnio anody,
a w przypadku odwrócenia polaryzacji blokują przepływ prądu,
układy metal-półprzewodnik stosowane powszechnie przed opracowaniem
technologii diod półprzewodnikowych. Stosowane najczęściej zestawy to
miedź-tlenek miedzi oraz metal-selen,
prostowniki rtęciowe wykorzystujące zjonizowane pary rtęci, stosowane
powszechnie w przemyśle oraz w kolejowych i tramwajowych układach
trakcyjnych itp.
Obecnie prostowniki są budowane niemal wyłącznie z diod krzemowych.
2
Rys.1. Przykłady prostowników.
Prostowniki są stosowane w energetyce, zasilaniu maszyn i urządzeń (np.
w elektrowozach), w galwanotechnice oraz w większości urządzeń
elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej.
1.1.
Stabilizowany zasilacz napięcia stałego.
W naszym przypadku układ składa się z czterech bloków:
o źródła zasilania,
o prostownika (mostek Graetz’a),
o stabilizatora (dioda Zenera),
o filtru (kondensator).
Każdy z tych elementów ma swoje określone zadanie.
Mostek Graetza (rys. 2.) to pełnookresowy prostownik z czterech diod
prostowniczych połączonych w specyficzny układ prostujący prąd wykorzystując
obie połówki napięcia przemiennego (prostownik dwupołówkowy). Oznacza to
że niezależnie od kierunku przepływu prądu na wejściu prąd na wyjściu płynie
zawsze w tą samą stronę. W określonej chwili dwie z tych diód pracują przy
polaryzacji w kierunku przewodzenia a dwie w kierunku zaporowym, przy
zmianie kierunku prądu wejściowego te pary zamieniają się rolami. Mostek ten
jest czwórnikiem - ma dwa zaciski wejściowe (napięcie przemienne) oraz dwa
zaciski wyjściowe. Mostki prostownicze Graetza mogą być produkowane w
postaci scalonej, lub budowane z niezależnych diod. Aktualnie wykonywany jest
prawie wyłącznie na krzemowych diodach półprzewodnikowych.
3
Rys. 2. Mostek Graetza
W celu wyeliminowania pulsacji należy zastosować element stabilizujący.
W tym celu wykorzystuje się diodę Zenera (stabilitron). Rezystor R ogranicza
prąd diody Zenera. Dla napięć wejściowych większych od napięcia Zenera dioda
przewodzi, a napięcie na niej jest równe napięciu Zenera.
Rys. 3. Zastosowanie elementu stabilizującego
W takim przypadku napięcie wyjściowe ma stałą wartość w pewnym zakresie
napięć wejściowych (przypadek idealny(teoretyczny)). Aby stabilizator
zadowalająco stabilizował, to napięcie wejściowe powinno być półtora raza
większe od napięcia Zenera.
4
∆ U WY
Ks =
∆ U WE
Rys. 4. Wyznaczanie współczynnika stabilizacji napięcia.
Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n
spolaryzowanych zaporowo. Objawia się nagłym, gwałtownym wzrostem prądu
(prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną
dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera. Zjawisko Zenera jest
również nazywane przebiciem Zenera, lecz to "przebicie" nie powoduje
uszkodzenia złącza.
Rys. 5. Charakterystyka rzeczywista diody Zenera
Charakterystyczne zakresy pracy złącza oznaczone są różnymi kolorami:
•
czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U < UD*, złącze
praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;
5
niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U > UD*, złącze
przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;
• zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) - płynie niewielki prąd
unoszenia;
• źółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) - przebicie lawinowe lub
zenera, prąd gwałtownie rośnie.
•
* UD - napięcie bariery potencjału, U - napięcie polaryzacji
W celu redukcji tętnień, między wyjściem stabilizatora a obciążeniem
włącza się układ filtrujący. Filtr dolnoprzepustowy przepuszcza częstotliwości
sygnału poniżej ustalonej częstotliwości granicznej, tłumi składowe widma
leżące w górnej jego części. Układ ten zbudowany jest zazwyczaj z cewki lub
opornika i kondensatora. Ma on jedno pasmo przepustowe i jedno tłumiące.
Zależnie od wartości pojemności kondensatora zmianie ulegają: częstotliwość i
amplituda tętnień na wyjściu.
K U ( jω ) =
U WY
U WE
1
1
jω C
=
=
1
1 + jω RC
R+
jω C
A(ω ) = K U ( jω ) =
1
1 + ω 2 R 2C 2
Rys. 6. Filtr dolnoprzepustowy RC pierwszego rzędu i jego charakterystyka
1.2.
Prostowniki trójfazowe.
Prostowniki trójfazowe wykorzystuje się tam, gdzie dostępne jest
trójfazowe zasilanie. Generalnie charakteryzują się one znacznie mniejszym
tętnieniem napięcia wyjściowego niż prostowniki jednofazowe.
6
Jednopołówkowe
Trójfazowy prostownik jednopołówkowy może działać tylko w układzie
trójfazowym z przewodem neutralnym. Oznacza to, że układ źródeł napięcia (lub
uzwojeń wtórnych transformatora) musi być połączony w gwiazdę (połączenie w
trójkąt nie posiada przewodu zerowego).
Trójdiodowy prostownik
jednopołówkowy
Napięcie wyjściowe prostownika
jednopołówkowego
Dwupołówkowe
Trójfazowy prostownik dwupołówkowy może być stosowany w dowolnym
układzie napięcia trójfazowego - zarówno z przewodem neutralnym jak i bez
niego. Napięcie wyjściowe wykazuje bardzo małe tętnienie (w porównaniu do
prostowników opisanych powyżej). Energia źródeł zasilania jest wykorzystywana
w największym zakresie, co jest szczególnie istotne w przypadku urządzeń dużej
mocy, jak np. spawarki transformatorowe.
Trójdiodowy prostownik
dwupołówkowy
Napięcie wyjściowe prostownika
dwupołówkowego
Często prostowniki w tego typu urządzeniach posiadają możliwość
sterowania wartością prądu wyjściowego.
Wyżej wymienione prostowniki mogą być używane również w postaci
prostowników sterowanych. W prostownikach takich diody prostownicze
7
zastępuje się tyrystorami prostowniczymi, które sterowane są za pomocą
odpowiednich układów analogowych lub cyfrowych. Doprowadzenie do bramki
(anody) dodatniego napięcia względem katody powoduje przepływ prądu.
Prostowniki sterowane są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna
regulacja mocy wyjściowej urządzenia - takie rozwiązanie jest szeroko
stosowane np. w spawarkach transformatorowych lub automatycznych
ładowarkach akumulatorów samochodowych (popularnie zwanych po prostu
prostownikami).
2. Przebieg ćwiczenia i zawartość
sprawozdania
2.1.Badanie stabilizatora napięcia stałego
Rys. 6. Schemat zasilacza napięcia stałego, stabilizowanego diodą
Parametry źródła VSIN
VOFF = 0,
VAMPL = 10V,
FREQ = 50Hz,
TD = 0,
DF = 0,
PHASE = 0.
Ustawienia analizy czasowej (Analysis/Setup.../Transient...):
Print Setup: 0.01 us,
Final Time: 500 ms,
Step Celing: 10us.
8
Na kondensatorze należy podać zerowy warunek początkowy (IC = 0).
Porównać sygnał wejściowy V1 z wyjściowym V(out) dla C=100µF.
Następnie zaobserwować przebieg napięcia na wyjściu zasilacza V(out) w stanie
ustalonym i nieustalonym dla trzech różnych różnych pojemności
C1 = 10
uF, 100 uF, 1000 uF. W celu obserwacji przebiegu w stanie ustalonym, należy
wpisać czas opóźnienia drukowania przebiegu w opcjach ustawień analizy
czasowej (np. No-Print Delay = 400 ms). W przypadku obserwacji przebiegów
przy C1 = 1000 uF, należy zwiększyć czas obserwacji do 5 s oraz w przypadku
stanu ustalonego wpisać opóźnienie No-Print Delay =4.9 s.
Dla trzech w/w pojemności, obliczyć analitycznie parametry sygnału
wyjściowego:
a) wartość maksymalną – Max{V(out)},
b) czas narastania – RiseTime{V(out)},
c) wartość stabilizowana – 0.5*Max{V(out)} + 0.5*Min{V(out)},
d) szerokość tętnień przebiegu – Max{V(out)} - Min{V(out)}.
Odczyt odpowiednich parametrów można uzyskać z menu Trace/Eval Goal
Function lub za pomocą ikony
. W kolumnie Functions or Macros, w oknie
rozwijanym należy wybrać Analog Operators and Functions (dotyczy
podpunktów c i d).
W rezultacie należy wypełnić poniższą tabelę.
C = 10 µF
ustalony ustalonynie-
stan
C = 100 µF
C = 1000 µF
Wartość
maksymalna
Czas
narastania
Wartość
stabilizowana
Szerokość
tętnień przebiegu
Jaki jest wpływ pojemności na czas narastania sygnału wyjściowego i na
szerokość tętnień?
9
2.2.Analiza czasowa sterowanego prostownika trójfazowego z
obciążeniem rezystancyjnym
Rys. 7. Schemat prostownika trójfazowego z obciążeniem rezystancyjnym
Parametry źródeł zasilających VSIN:
V1
V2
VOFF = 0
VOFF = 0
VAMPL = 25V
VAMPL = 25V
FREQ = 50Hz
FREQ = 50Hz
TD = 0
TD = 0
DF = 0
DF = 0
PHASE = 240
PHASE = 120
V3
VOFF = 0
VAMPL = 25V
FREQ = 50Hz
TD = 0
DF = 0
PHASE = 0
Parametry źródeł sterujących VSTER:
Vster 1
Vster 2
V1 = 0
V1 = 0
V2 = 2V
V2 = 2V
TD = 13.333 ms
TD = 20 ms
TR = 0.01 ms
TR = 0.01 ms
TF = 0.01 ms
TF = 0.01 ms
PW = 1ms
PW = 1ms
PER = 20 ms
PER = 20 ms
Vster 3
V1 = 0
V2 = 2V
TD = 6.667 ms
TR = 0.01 ms
TF = 0.01 ms
PW = 1ms
PER = 20 ms
10
Ustawienia analizy czasowej (Analysis/Setup.../Transient...):
Print Setup: 0.1 ms,
Final Time: 40 ms.
Należy zaobserwować przebieg napięcia na obciążeniu, napięcia
zasilającego oraz napięcia sterującego (przebiegi wykreślić na jednym wykresie).
Obliczyć analitycznie parametry sygnału:
a) okres sygnału – Period{V(R1:1) - V(R1:2)},
b) maksimum impulsu – Max{V(R1:1) - V(R1:2)},
c) szerokość
impulsu
w
połowie
wartości
maksymalnej
–
Pulsewidth{V(R1:1) - V(R1:2)},
Rys. 8. Rysunek pomocniczy objaśniający funkcję Pulsewidth{}
d) czas opadania – FallTime{V(R1:1) - V(R1:2)},
e) dokonać analizy FFT napięcia na obciążeniu, wyznaczyć częstotliwość
podstawową i sprawdzić relację z okresem sygnału,
f) rozwinąć w szereg Fouriera (wykorzystać właściwości sygnału
wyprostowanego całofalowo – występują tylko harmoniczne rzędów
parzystych i składowa stała):
11
Odczyt odpowiednich parametrów można uzyskać z menu Trace/Eval Goal
Function lub za pomocą ikony
.
2.3. Sprawozdanie
W sprawozdaniu należy zamieścić wszystkie schematy, wykresy i
obliczenia.
3. Pytania kontrolne
1. Podaj definicję czasu narastania, czasu opadania sygnału, szerokości impulsu,
okresu przebiegu odkształconego.
2. Omówić budowę i działanie poszczególnych bloków stabilizowanego
zasilacza napięcia stałego.
3. Omówić prostowanie jednopołówkowe i dwupołówkowe.
4. Postacie szeregu Fouriera i obliczanie współczynników szeregu.
5. Widmo amplitudowe i fazowe.
4. Literatura
1. Bolkowski S Teoria obwodów elektrycznych WNT, Warszawa 2006
2. Frąckowiak L Energoelektronika. Cz.2 Politechnika Poznańska, Poznań 2003
3. Piróg S Energoelektronika Akademia Górniczo – Hutnicza, Kraków 1998
12
Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest
zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na
stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed
rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi
wskazanymi przez prowadzącego.
W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad.
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w
stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.
Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.
Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po
wyrażeniu zgody przez prowadzącego.
Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą
obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami
układu znajdującymi się pod napięciem.
Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana
elementów składowych stanowiska pod napięciem.
Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.
W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.
Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz
nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać
prowadzącemu zajęcia.
Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z
urządzeń nie należących do danego ćwiczenia.
W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy
niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą
wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w
laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.
13