Badanie prostowników - wstęp teoretyczny
Prąd stały może być uzyskany bezpośrednio z ogniw galwanicznych, prądnic prądu stałego lub akumulatorów. Najczęściej do miejsca odbioru dostarczany jest prąd zmienny, następnie zaś przetwarza się go w miejscu odbioru na stały prąd o odpowiednim natężeniu.
Na początku w układach przetwarzania prądu zmiennego na stały prąd, stosowane były przetwornice, które składały się z silnika prądu zmiennego, który napędzał prądnice prądu stałego. Problematyczna obsługa oraz niewielka sprawność tych urządzeń były przyczynami zastąpienia przetwornic przez specjalne urządzenia nazwane prostownikami.
Ważnym elementem zasilacza stabilizowanego jest układ prostowniczy, który służy do prostowania prądu zmiennego w jednokierunkowy pulsujący prąd, zwany prądem wyprostowanym. Istotną rolę w działaniu układu prostowniczego odgrywa element prostowniczy. Jednostka ta charakteryzuje się wyraźną asymetrią rezystancji, która zależy od biegunowości doprowadzanego do niej napięcia. Rezystancja ta jest bardzo mała dla kierunku przewodzenia elementu prostowniczego oraz bardzo duża dla kierunku zaporowego. Powszechnie stosowanym we współczesnych układach prostowniczych małej mocy elementem prostowniczym jest dioda półprzewodnikowa. Sterowane elementy prostownicze, takie jak tyrystory, stosuje się zazwyczaj w układach prostowniczych dużej mocy. Przeznaczone są one do zasilania urządzeń energetycznych.
Trzy podstawowe diodowe układy prostownicze
Na powyższym rysunku zostały przedstawione trzy podstawowe diodowe układy prostownicze wraz z odpowiadającymi im czasowymi przebiegami prądów i napięć na wyjściu i wejściu układu. Założone zostało, że obciążanie zasilacza jest czysto rezystancyjne, zaś diody prostownicze i transformator są idealnymi elementami. Najprostszy układ prostowniczy przedstawiony na rysunku a) zawiera pojedynczą diodę półprzewodnikową. Kiedy zmienne napięcie zasilania ma wartość dodatnią +UZ, dioda znajduje się w stanie przewodzenia, a anoda spolaryzowana jest dodatnio względem katody. Przez obwód płynie prąd I0, który powoduje odłożenie na rezystorze RL napięcia o wartości identycznej jak napięcie zasilania UZ o biegunowości identycznej jak na rysunku. Zakładamy przy tym, że dioda jest idealna i spadek napięcia na niej w kierunku przewodzenia jest równy zero. Kiedy zmienne napięcie zasilania ma wartość ujemną -UZ, dioda znajduje się w stanie zaporowym, a anoda spolaryzowana jest ujemnie względem katody. W związku z tym prąd nie płynie w obwodzie, a całość napięcia zasilania odkłada się na diodzie. Z uwagi na to, że prąd obciążenia płynie w czasie jednej połowy okresu nazywa się go jednopołówkowym lub półokresowym. Układ dwupołówkowy, pełnookresowy cechuje się tym, że prąd jest dostarczany do obciążenia w czasie obu półokresów zmiennego napięcia zasilania.
Prostowniczy układ pełnookresowy, przedstawiony na rysunku b), można rozpatrzeć jako układ złożony z dwóch jednopołówkowych prostowników, połączonych w ten sposób, że obie diody D' i D'' kolejno przewodzą prąd w następujących po sobie półokresach napięcia zasilania: UZ' i UZ''. Wypadkowy prąd I0 stanowi sumę prądów składowych obu prostowników, natomiast spadek napięcia U0 powstały na rezystancji obciążenia RL, który jest tym prądem wywołany, posiada kształt i biegunowość pokazane na rysunku.
Prostowniczy układ mostkowy, którego przykładem jest układ Graetza, jest przedstawiony na rysunku z oznaczeniem c). Zawiera on w sobie cztery diody: D1, D2, D3, D4 połączone w taki sposób, że w każdej chwili dwie z nich przewodzą, tym samym dostarczając prąd do obciążenia, natomiast pozostałe dwie są w stanie zaporowym i nie przewodzą. Na przykład, jeśli w dodatniej połówce napięcia zasilania +UZ przewodzą zarówno diody D1 jak i D3, to w połówce ujemnej napięcia zasilania -UZ przewodzą diody D2 i D4. W wyniku tego zarówno prąd, który płynie przez obciążenie, jak i spadek napięcia, który on wywołuje na rezystancji obciążenia, posiadają w obu połówkach takie same kierunki.
W naszym ćwiczeniu badaliśmy cztery układy prostowników napięcia:
- prostownik jednofazowy, półokresowy
- prostownik jednofazowy, pełnookresowy
- prostownik trójfazowy, półokresowy
- prostownik trójfazowy, pełnookresowy
Do przeprowadzenia ćwiczenia użyliśmy układu przedstawionego na poniższym rysunku:
Wyniki uzyskane doświadczalnie:
|
Rodzaj prostownika
|
U1 [V]
|
I1 [A]
|
I2 [A]
|
I3 [A]
|
U2 [V]
|
U3 [V]
|
U4 [V]
|
P
|
KSZ
|
KKSZ
|
|
Pr. jedn. półokr.
|
53
|
17
|
16
|
0,1
|
36
|
22,5
|
72
|
30
|
1,6
|
2
|
|
Pr. jedn. pełnookr.
|
53
|
23
|
22
|
0,2
|
51
|
45
|
72
|
58
|
1,13
|
1,41
|
|
Pr. trójf. półokr.
|
53
|
16
|
27
|
0,26
|
61
|
60
|
72
|
84
|
1,02
|
1,18
|
|
Pr. trójf. pełnookr.
|
52
|
35
|
42
|
0,42
|
120
|
120
|
128
|
256
|
1
|
1,07
|
Wnioski płynące z wykonanego ćwiczenia
Pierwszym układem prostowniczym, który zbadaliśmy stanowił układ jednofazowego prostownika półokresowego. Prostownik tego typu składa się z pojedynczej diody, która zależnie od kierunku włączenia jej do układu przewodzi tylko jedną połówkę napięcia: dodatnią lub albo ujemną. Wadą tego typu prostownika stanowią bardzo duże napięcia tętnień. Kolejnymi układami, które zbadaliśmy były: układ jednofazowego prostownika pełnookresowego, układ trójfazowego prostownika półokresowego oraz układ trójfazowego prostownika pełnookresowego. Najniższa zaobserwowana przez nas wartość prądu, została uzyskana przy użyciu jednofazowego prostownika półokresowego, zaś najwyższą wartość prądu zarejestrowaliśmy w układzie złożonym z trójfazowego prostownika pełnookresowego. Na jakość wyprostowanego prądu wielki wpływ posiada układ diod oraz ilość faz prądu. Z większą ilością faz jest związane mniejsze wahanie wyprostowanego prądu.
