LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW I UKŁADÓW MOCYneo.dmcs.p.lodz.pl/pium/instrukcje_arch/pium_5b_4-6-2.pdf · gdzie Ipk – wartość szczytowa prądu, Irms – wartość skuteczna prądu

90-924 Łódź, ul. Wólczańska 221/223, bud. B18 tel. 42 631 26 28 faks 42 636 03 27 e-mail [email protected]

http://www.dmcs.p.lodz.pl

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW I UKŁADÓW MOCY

Ćwiczenie 5B

Wielostopniowe przekształtniki sieciowe

Ramowy plan pracy

15′ 30′ 45′ 1h 1h15′ 1h30′ po zajęciach

4.2/1–6 4.2/7 4.2/8–11 4.3/1–3 4.3/4–7 5

Opracowanie ćwiczenia i instrukcji: Łukasz Starzak

Łódź 2011 wer. 4.6.2. 17.11.2011

© 2011 Łukasz Starzak, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej

1. Cel i przebieg ćwiczenia......................................................................................................................................5

2. Elektroniczny statecznik lampy fluorescencyjnej ........................................................................................7

2.1. Zastosowania tranzystorów BJT w elektronice mocy .....................................................................7 2.1.a. Ewolucja rynkowej pozycji tranzystorów BJT ................................................................7 2.1.b. Współczesne obszary zastosowań.......................................................................................7

2.2. Lampy fluorescencyjne............................................................................................................................9 2.2.a. Działanie niskociśnieniowych lamp fluorescencyjnych ...............................................9 2.2.b. Ograniczenie prądu i optymalizacja pracy .................................................................... 10 2.2.c. Statecznik magnetyczny ..................................................................................................... 10 2.2.d. Wady stateczników tradycyjnych.................................................................................... 11

2.3. Stateczniki elektroniczne.......................................................................................................................13 2.3.a. Zalety ....................................................................................................................................... 13 2.3.b. Statecznik elektroniczny jako przekształtnik wielostopniowy ................................ 13 2.3.c. Konfiguracja półmostkowa ................................................................................................ 15 2.3.d. Działanie elektronicznego statecznika półmostkowego zasilanego napięciowo ........................................................................................................................................ 16

3. Prostowniki..........................................................................................................................................................21

3.1. Charakterystyka ogólna ........................................................................................................................21 3.1.a. Funkcja i zastosowanie prostowników........................................................................... 21 3.1.b. Podział ..................................................................................................................................... 22 3.1.c. Parametry................................................................................................................................ 22

3.2. Działanie najprostszych prostowników diodowych.......................................................................24 3.2.a. Układ gwiazdowy jednopulsowy...................................................................................... 24 3.2.b. Mostek Graetza ..................................................................................................................... 26

3.3. Mostek Graetza z kondensatorem.......................................................................................................30 3.3.a. Zmniejszenie tętnienia na wyjściu za pomocą kondensatora .................................. 30 3.3.b. Odkształcenie prądu wejściowego................................................................................... 32 3.3.c. Kompatybilność elektromagnetyczna ............................................................................. 33

4. Pomiary.................................................................................................................................................................35

4.1. Układ laboratoryjny................................................................................................................................35 Badany układ statecznika.............................................................................................................. 35 Prowadzenie pomiarów ................................................................................................................. 36

4.2. Dwustopniowy przekształtnik AC-AC ..............................................................................................37 Przygotowanie układu ................................................................................................................... 37 Przebiegi napięć i prądów............................................................................................................. 37

4.3. Działanie prostownika ...........................................................................................................................41

5. Opracowanie i analiza wyników ....................................................................................................................43

5.1. Badany układ jako wielostopniowy przekształtnik elektroniczny .............................................43 5.2. Praca tranzystorów w falowniku półmostkowym..........................................................................45 5.3. Badany układ jako statecznik lampy fluorescencyjnej ..................................................................46

Uruchomienie programu Scilab................................................................................................... 46 Wyznaczenie i analiza parametrów ........................................................................................... 46

4 Przyrządy i układy mocy – Ćwiczenie 5B. Tranzystory BJT (4.6.2)


5.4. Prostownik i kompatybilność elektromagnetyczna .......................................................................48

E Informacje ........................................................................................................................................51

6. Oczekiwana zawartość sprawozdania...........................................................................................................51

7. Wymagana wiedza.............................................................................................................................................52

7.1. Przygotowanie do wykonywania ćwiczenia....................................................................................52 7.2. Zakres kolokwium..................................................................................................................................52

8. Literatura..............................................................................................................................................................52


B

Wprowadzenie

do ćwiczenia

1. Cel i przebieg ćwiczenia

W tej części ćwiczenia kontynuowane są badania tranzystora BJT mocy. Za przykład jego zastosowania posłuży typowy elektroniczny statecznik lampy fluorescencyjnej (potocznie zwanej świetlówką kompaktową). Zastosowane w nim tranzystory BJT należą do grupy przyrządów wysokonapięciowych, ale niewielkiej mocy (znamionowa moc maksymalna strat rzędu 0,1–1 W). Wyniki pomiarów posłużą do analizy, w jaki sposób tranzystor został dobrany do układu.

Wybrany układ demonstracyjny stwarza jednocześnie dobrą okazję do zapoznania się z konstrukcją (na poziomie bloków funkcjonalnych) nowoczesnych elektronicznych przemienników częstotliwości. Zamiast skomplikowanych konstrukcji jednostopniowych stosowanych wcześniej, mamy tu konstrukcję dwustopniową, za to złożoną z bardzo prostych układów: prostownika i falownika. Przeanalizowane zostanie działanie tych układów, w tym oddziaływanie z siecią zasilającą. Przy okazji pokazana zostanie jedna z typowych konfiguracji pracy przyrządów półprzewodnikowych mocy – półmostek.


2. Elektroniczny statecznik lampy fluorescencyjnej

2.1. Zastosowania tranzystorów BJT w elektronice mocy

2.1.a. Ewolucja rynkowej pozycji tranzystorów BJT

Tranzystor BJT był pierwszym przyrządem półprzewodnikowym, dla którego opracowano konstrukcję wysokonapięciową. Dzięki temu wynalazkowi elektronika półprzewodnikowa rozpoczęła ekspansję na obszar aplikacji zarezerwowanych wówczas dla lamp elektronowych (np. układy odchylania do kineskopów) i układów elektromechanicznych (np. technika napędowa). Tranzystory BJT były używane we wszystkich tych aplikacjach (ale nie tylko), w których niezbędne były przyrządy w pełni sterowalne, w związku z czym zastosowanie tyrystorów było wykluczone.

Jednak w ostatnich dziesięcioleciach tranzystory te zostały wyparte z układów mocy przez :

— w układach trakcyjnych dużej mocy (dotyczy to dużych tranzystorów energetycznych, które zajmowały całą pastylkę krzemu, a dzisiaj nie są już produkowane) – całkowicie przez tranzystory IGBT i tyrystory GTO;

— w przetwornicach i innych przekształtnikach oraz układach sterowania silników średniej mocy (dotyczy to przyrządów średniej mocy, złożonych z wielu równolegle połączonych komórek) – w dużym stopniu przez tranzystory MOSFET i IGBT.

został spowodowany przez szereg czynników, z których najważniejsze to:

1º sposób sterowania – w przypadku tranzystorów MOSFET i IGBT napięciowo-ładunkowy, w przypadku GTO ładunkowy – a więc bez konieczności ciągłego przepływu prądu sterującego;

2º duża szybkość przełączania w przypadku tranzystorów MOSFET i IGBT – a więc szeroki zakres częstotliwości pracy i mniejsze straty mocy w stanach dynamicznych.

2.1.b. Współczesne obszary zastosowań

Z biegiem czasu pole zastosowań tranzystorów BJT w elektronice przemysłowej zostało poważnie ograniczone. Tranzystory BJT są jednak wciąż

. Są to:

1) stopnie wyjściowe wzmacniaczy dużej mocy o działaniu ciągłym (zwykle klasy AB) lub przełączającym (zwykle klasy D);

2) przetwornice w układach odchylania dla kineskopów;

8 ◆ B 2 Przyrządy i układy mocy – Ćwiczenie 5B. Tranzystory BJT (4.6.2)


3) przetwornice w zasilaczach impulsowych (przy czym w tym zastosowaniu popularniejsze są tranzystory MOSFET);

4) elektroniczne stateczniki niskociśnieniowych lamp fluorescencyjnych (potocznie znanych jako świetlówki i żarówki energooszczędne);

5) elektroniczny zapłon silników samochodowych (tu jednak BJT ustępują powoli tranzystorom polowym, zarówno dyskretnym, jak i specjalizowanym układom scalonym).

Poza wzmacniaczami o działaniu ciągłym, we wszystkich tych aplikacjach tranzystory BJT pracują w roli kluczy. Jak wiadomo, praca przełączana pozwala na minimalizację mocy strat w przyrządzie.

Z powodów, dla których tranzystory BJT nie zostały całkowicie wyparte z rynku, można wymienić:

— łatwość projektowania samego przyrządu (struktura wysokonapięciowego tranzystora bipolarnego jest prosta, a w ciągu pół wieku jej właściwości zostały bardzo dobrze zbadane);

— łatwość produkcji (prosta 4-warstwowa struktura, brak konieczności wytwarzania bramki);

— w związku z powyższymi – bardzo niski koszt elementu (dla niezbyt dużych prądów maksymalnych tranzystory BJT są najtańszymi wysokonapięciowymi kluczami półprzewodnikowymi);

— bardzo niskie napięcie nasycenia i bardzo niska rezystancja dynamiczna w zakresie nasycenia (co zostało wykazane w pierwszej części ćwiczenia) – a więc bardzo mała moc strat w stanie załączenia. Stanowi to zaletę w przypadku tych układów przełączanych, w których moc strat dynamicznych jest niewielka (niewysokie częstotliwości, nieduże prądy), a więc dominują straty statyczne;

— jednocześnie, dla niezbyt dużych mocy, akceptowalna szybkość przełączania – a więc wystarczająca w wielu zastosowaniach maksymalna częstotliwość pracy (nawet do 100 kHz).

Elektroniczny statecznik lampy fluorescencyjnej B 2 ◆ 9


2.2. Lampy fluorescencyjne

2.2.a. Działanie niskociśnieniowych lamp fluorescencyjnych

Lampa fluorescencyjna (potocznie , ang. ) to szklana rurka wypełniona gazem obojętnym (argonem lub kryptonem), w której umieszczono niewielką kroplę rtęci, zaś ścianki pokryto od wewnątrz materiałem fosforyzującym (rys. 1a). Na obu końcach rurki znajdują się włókna metalowe – elektrody. W ćwiczeniu używamy lampy niskociśnieniowej, tj. w której ciśnienie gazu nie przekracza 1 atm. Tego typu lampy są przeznaczone do oświetlania pomieszczeń biurowych i mieszkalnych – w odróżnieniu od lamp wysokociśnieniowych, które posiadają mocy umożliwiającą oświetlanie ulic i hal produkcyjnych. Do lamp takich należą tradycyjne świetlówki jak również świetlówki kompaktowe.

Nie działająca świetlówka stanowi przerwę w obwodzie. Jeżeli jednak przyłożymy do elektrod odpowiednio wysokie napięcie, to gaz ulegnie jonizacji i nastąpi zapłon łuku elektrycznego. Łuk elektryczny to w uproszczeniu utrzymujące się dłuższy czas wyładowanie (takie jak atmosferyczne), czyli przepływ prądu. Wyładowanie to jest związane z dążeniem gazu do przywrócenia równowagi elektrycznej, czyli dejonizacji. Po dejonizacji łuk jest podtrzymywany przez elektrony emitowane z elektrod.

Opisany wyżej przypadek nazywamy . Stanowi on spore obciążenie dla elektrod lampy, dlatego zwykle stosuje się . Elektrody są wówczas wstępnie podgrzewane, w wyniku czego zaczynają emitować elektrony, które gromadzą się na obu końcach rurki. W tych warunkach napięcie zapłonu ign obniża się, a przebieg zjawisk staje się łagodniejszy.

Zapalenie się łuku w parach rtęci powoduje emisję światła w paśmie ultrafioletu. Promieniowanie ultrafioletowe pobudza z kolei fosfor do świecenia w paśmie widzialnym. Samo promieniowanie ultrafioletowe jest zatrzymywane przez szklane ścianki. Obecnie stosuje się często potrójną warstwę materiału fosforyzującego (świecącego na czerwono, zielono i niebiesko). Pozwala to na uzyskanie praktycznie dowolnej barwy wynikowego strumienia świetlnego.

gaz obojętny

rtęć ścianka pokryta

materiałem fosforyzującym

elektrody

Współczesne lampy fluorescencyjne posiadają wysoką sprawność świetlną v rzędu 80–100 lm/W (lumenów na wat mocy znamionowej). Dla zwykłych żarówek jest ona rzędu 10 lm/W, a dla starszych typów świetlówek – 60–70 lm/W. Dodatkowa wysoka sprawność energetyczna obecnie stosowanych obwodów zasilająco-sterujących rzeczywiście pozwala na nazwanie tych lamp „energooszczędnymi”.



2.2.b. Ograniczenie prądu i optymalizacja pracy

Spójrzmy jeszcze na typową charakterystykę prądowo-napięciową lampy przedstawioną na rys. 1b. Odcinek poziomy odpowiada zwiększaniu napięcia między elektrodami przy braku przepływu prądu przez lampę. W chwili powstania łuku, przy napięciu zapłonu Uign, punkt pracy lampy przechodzi na odcinek charakterystyki o ujemnej impedancji dynamicznej. W wyniku tego prąd narasta, podtrzymywany przez emisję elektronów z elektrod, a jednocześnie napięcie między elektrodami spada. Dzieje się tak aż do osiągnięcia wartości napięcia Uon rzędu 40–110 V. Odpowiada jej prawie pionowy fragment charakterystyki. Dokładnie rzecz biorąc, wartość Uon zmienia się nieco wraz z wartością prądu I).

Z powodu niskiej impedancji lampy w stanie załączenia, obwód zewnętrzny musi zapewnić odpowiednie ograniczenie narastania prądu. W przeciwnym razie prąd lampy osiągnąłby takie natężenie, że ta uległaby zniszczeniu. Należy też dążyć do sinusoidalnego kształtu prądu lampy, gdyż zapewnia on długą żywotność elektrod.

Szczególnie trzeba zapobiegać istnieniu składowej stałej prądu. Jej obecność oznacza, że część elektronów emitowanych przez jedną z elektrod będzie trwale absorbowana przez drugą. Materiał pierwszej elektrody ulega w ten sposób stopniowemu zubożeniu.

Podzespół realizujący ograniczenie narastania prądu lampy zwany jest statecznikiem (ang. ballast). Zwykle układ ten realizuje jednocześnie szereg innych funkcji. Możliwości takie dają w szczególności stateczniki elektroniczne. Wśród realizowanych przez nie funkcji można wymienić:

1) zapewnienie wstępnego podgrzania elektrod,

2) wytworzenie napięcia zapłonu,

3) ograniczenie prądu lampy i utrzymanie jego wartości skutecznej na stałym, optymalnym poziomie w stanie ustalonym,

4) zapewnienie przemiennego i zbliżonego do sinusoidalnego przebiegu prądu lampy,

5) zapewnienie wysokiej częstotliwości pracy lampy, gwarantującej wysoką sprawność świetlną,

6) zapewnienie odpowiedniego charakteru obciążenia sieci zasilającej, zgodnie z obowiązującymi normami (np. utrzymanie zawartości wyższych harmonicznych w pobieranym prądzie w dopuszczalnych granicach).

Empiryczna reguła inżynierska mówi, że optymalna wartość skuteczna prądu lampy wynosi

on

nomrms(opt)

U

PI = (2.1)

gdzie Pnom jest nominalną mocą świetlówki kompaktowej (mimo tradycyjnego oznaczenia P parametr ten reprezentuje de facto moc pozorną).

Z kolei kształt prądu charakteryzuje się przez współczynnik szczytu (ang. crest factor)

rms

pk∆

cI

Ik i = (2.2)

gdzie Ipk – wartość szczytowa prądu, Irms – wartość skuteczna prądu. Optymalna wartość współczynnika szczytu odpowiada idealnej sinusoidzie i wynosi kci(opt) = 1,41. Wartość maksymalna nie powodująca skrócenia czasu życia lampy wynosi natomiast kci(max) ≈ 1,7.

2.2.c. Statecznik magnetyczny

Obwód tradycyjnego – magnetycznego statecznika lampy fluorescencyjnej został przedstawiony na rys. 2. Ściśle rzecz ujmując, statecznikiem jest dławik L (ogranicza bowiem narastanie prądu w obwodzie w czasie, gdy lampa jest załączona), natomiast przełącznik bimetaliczny pełni rolę



zapłonnika (ang. starter). Przełącznik składa się z dwóch kontaktów metalicznych umieszczonych w szklanej bańce wypełnionej neonem i jest normalnie otwarty.

Zasada działania tego układu jest następująca.

1. Kiedy lampa jest wyłączona i stanowi przerwę w obwodzie, napięcie między elektrodami narasta. Napięcie to powoduje jonizację gazu w równolegle włączonym przełączniku.

2. Kontakty przełącznika nagrzewają się, doprowadzając do jego załączenia i dejonizacji gazu. W obwodzie płynie prąd, podgrzewając elektrody lampy.

3. Kontakty przełącznika stygną i w końcu przełącznik zostaje rozłączony. Obwód zostaje nagle przerwany, co oznacza nagły spadek natężenia prądu. Powoduje to powstanie przepięcia na dławiku zgodnie z zależnością u = L di/dt.

4. Jeżeli przepięcie jest wystarczająco duże, to doprowadzi ono do jonizacji gazu w lampie i jej załączenia. Jednak niekoniecznie musi tak być. Zapłonnik wyłącza się w przypadkowym momencie okresu sieci. Jeżeli będzie to blisko zera sinusoidy prądu, to amplituda przepięcia będzie zbyt mała, gdyż mały będzie czynnik di w przywołanym wyżej wzorze. W takim przypadku wszystko powtarza się od początku, aż do załączenia lampy. Zjawisko to często możemy obserwować przy zapalaniu tradycyjnych świetlówek.

5. Kiedy uda się doprowadzić do załączenia lampy, napięcie na niej spada. Nie pozwala to już na jonizację neonu i załączenie przełącznika bimetalicznego. Obwód: elektroda lampy – przełącznik – druga elektroda lampy pozostaje rozwarty aż do kolejnego włączenia układu. Prąd między elektrodami płynie przez lampę za pośrednictwem elektronów emitowanych przez elektrody.

L

Przełącznik

bimetaliczny

C Lampa

Włącznik

Sieć

230 V 50 Hz

Rys. 2. Tradycyjny statecznik magnetyczny

2.2.d. Wady stateczników tradycyjnych

W układach wykorzystujących stateczniki magnetyczne obserwuje się niekorzystne zjawisko. Polega ono na krótkotrwałym wyłączeniu lampy, kiedy prąd w układzie spada do zera. Ponieważ wyładowania wewnątrz lampy to przepływ prądu, więc jeżeli nie ma prądu – to nie może być wyładowań. Jest to powodem migotania świetlówki z częstotliwością 100 Hz (2∙50 Hz, gdyż prąd przechodzi przez zero dwa razy na okres).

Z powyższego względu lampy z tradycyjnymi statecznikami bywają montowane w parach zasilanych z różnych faz. Stosuje się również (nawet częściej) sztuczne przesunięcie fazy realizowane w oprawie za pomocą kondensatora. Dzięki różnej fazie napięcia zasilającego świetlówki z pary, uzyskuje się mniejsze migotanie z dwukrotnie większą częstotliwością (200 Hz). Jest ono mniej zauważalne, a więc mniej uciążliwe dla użytkownika.

Migotanie nie tylko jest męczące dla wzroku; może być również niebezpieczne dla życia. Kiedy świetlówki wprowadzono do hal fabrycznych, problemem stał się tzw. efekt stroboskopowy. Przypuśćmy, że mamy halę oświetlaną świetlówkami, zasilanymi wszystkie z jednej fazy. Znajdują się w niej elementy maszyn wirujące z częstotliwością równą lub bliską wielokrotności 100 Hz.



Wówczas oświetlanie hali błyskami świetlówek powoduje, że wydaje się, iż elementy te są w stanie spoczynku lub obracają się z bardzo niewielką prędkością i można ich bezpiecznie dotknąć. Łatwo więc było o pomyłkę co najmniej kosztowną dla zakładu, a czasem również tragiczną dla pracownika.

Zaletą statecznika tradycyjnego jest jego prostota i wynikający z tego niski koszt. Wady są jednak również wyraźnie widoczne:

1) zapłon lampy następuje w przypadkowym momencie, więc może się wielokrotnie powtarzać bez powodzenia,

2) lampa migocze z podwojoną częstotliwością sieci (męczące i niebezpieczne),

3) sprawność świetlna jest niska, gdyż częstotliwość pracy wynosi zaledwie 50 Hz – co widać na rys. 3.



2.3. Stateczniki elektroniczne

2.3.a. Zalety

Z wyżej wymienionych względów, starano się zbudować bardziej efektywny układ, który pozwoliłby uzyskać kontrolę nad przebiegiem startu oraz działający z większą częstotliwością. Układy takie na skalę przemysłową zaczęły być produkowane w latach 1990. Ich liczne zalety powodują stały wzrost popularności lamp fluorescencyjnych ogólnego użytku (świetlówek kompaktowych – patrz s. 15).

Lista korzyści ze stosowania elektronicznych stateczników jest długa:

— zwiększenie sprawności świetlnej zgodnie z rys. 3,

— całkowite wyeliminowanie migotania lampy, gdyż jej bezwładność jest dużo większa niż okres pracy statecznika i łuk elektryczny nie zdąża zgasnąć w czasie przechodzenia prądu przez zero,

— zwiększenie sprawności energetycznej układu,

— eliminacja pisków towarzyszących pracy lampy dzięki pracy poza zakresem słyszalnym (charakterystyczny pisk świetlówek z tradycyjnymi statecznikami jest związany z drganiami rdzenia dławika wzmacnianymi przez obudowę),

— wydłużenie czasu życia lampy dzięki realizacji układów miękkiego (łagodnego) startu,

— możliwość realizacji dodatkowego bloku zapewniającego poprawę współpracy z siecią zasilającą (zagadnienie kompatybilności elektromagnetycznej) –zmniejszenie zniekształceń harmonicznych, zwiększenie współczynnika mocy,

— możliwość dodania obwodów nastawy intensywności światła (ściemniaczy), w tym sterowanych automatycznie,

— możliwość dodania układów zabezpieczeń na wypadek awarii lampy – tak, aby nie dopuścić do zniszczenia statecznika,

— łatwość zasilania ze źródeł napięcia stałego, w tym bateryjnego (dlatego układy te stosuje się m. in. do realizacji oświetlenia awaryjnego).

�v

f

Rys. 3. Charakterystyka sprawności świetlnej typowej lampy fluorescencyjnej w funkcji częstotliwości [1] (oś f nie przecina osi ηv w zerze; względny wzrost sprawności jest rzędu 10…20%)

2.3.b. Statecznik elektroniczny jako przekształtnik wielostopniowy

Ogólny schemat blokowy statecznika elektronicznego przedstawia rys. 5. Nie wszystkie jego elementy występują w każdym układzie praktycznym. Bloki opcjonalne zostały zaznaczone linią przerywaną. Niektóre z nich mogą być zintegrowane, tj. wykorzystywać te same, wspólne elementy.

Rola poszczególnych bloków funkcjonalnych jest następująca.



1. Filtr przeciwzakłóceniowy – minimalizuje zakłócenia i zniekształcenia obecne w napięciu sieci zasilającej. W tańszych wersjach stateczników nie występuje.

2. Prostownik dwupołówkowy z filtrem dolnoprzepustowym – zamienia napięcie przemienne na napięcie jednokierunkowe zawierające głównie składową stałą. Filtracja składowej przemiennej nie musi być jednak idealna, tj. napięcie wyjściowe nie musi być idealnie stałe. W tanich statecznikach dopuszcza się dość znaczne jego tętnienie.

3. Korektor współczynnika mocy – pozwala zmniejszyć moc bierną pobieraną przez układ, dzięki czemu układ stanowi korzystniejsze obciążenie dla sieci zasilającej. Wyróżniamy tu układy bierne (prostsze, z użyciem elementów R, C, D) oraz czynne (przetwornice – bardziej złożone i droższe). W niektórych układach korektor współczynnika mocy może być zintegrowany z falownikiem.

4. Falownik – zamienia napięcie stałe na prąd przemienny. Jak wspomniano, najbardziej korzystny jest sinusoidalny kształt prądu lampy. Uzyskuje się go z wykorzystaniem osobno wyróżnionego bloku kształtowania prądu, który jednak jest ściśle zintegrowany z falownikiem.

5. Regulacja intensywności – pozwala tak sterować pracą falownika, aby do lampy dostarczana była różna moc. W wyniku tego zmienia się intensywność świecenia (funkcja ściemniacza).

6. Blok ograniczenia i kształtowania prądu – ogranicza narastanie prądu załączonej lampy (realizuje więc zasadniczą funkcję statecznika) oraz zapewnia jego optymalny kształt.

7. Blok zapłonnika i podgrzewania wstępnego – realizuje zapłon lampy oraz zapewnia przepływ prądu przez elektrody podczas gdy lampa nie jest jeszcze załączona. Dzięki temu elektrody podgrzewają się i uzyskuje się zapłon gorący, zwiększający żywotność lampy.

Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na widoczną na schemacie cechę charakterystyczną dla współczesnych elektronicznych układów przekształtnikowych. Prezentowany przekształtnik jest wielostopniowy – przebiegi wyjściowe są uzyskiwane z wejściowych w kilku etapach. W tym przypadku:

1) energia wejściowa związana jest ze składową przemienną napięcia sieci i prądu;

2) jest ona przekształcana na energię związaną ze składową stałą napięcia wyprostowanego i prądu (prostownik);

3) ta z kolei przekształcana jest na energię związaną ze składową stałą innego napięcia i prądu (przetwornica jako korektor współczynnika mocy);

4) wreszcie ta energia przekształcana jest z powrotem na związaną ze składową stałą przebiegów, lecz już o zupełnie innych parametrach niż przebiegi wejściowe (falownik).

Z zestawienia punktów 1 i 4 wynika, że rozważany przekształtnik należy do klasy przekształtników AC-AC, a ściśle – do grupy przemienników częstotliwości (ang. cycloconverters). Jednak z użyciem klasycznych jednostopniowych przemienników częstotliwości nie jest możliwa konwersja częstotliwości na wyższą – co niezbędne w rozważanej aplikacji.

Inne typowe przekształtniki wielostopniowe to prostowniki (przekształtniki AC-DC) z kompensacją współczynnika mocy (ang. power factor correction rectifiers). Stanowią one kaskadowe połączenie zasadniczego prostownika (blok AC-DC) i przetwornicy prądu stałego (blok DC-DC). Układy te są stosowane w zasilaniu urządzeń elektronicznych większej mocy – np. komputerów osobistych i zasilaczy bezprzerwowych.

Powyższe skomplikowanie układu wydawać się może niepotrzebne. Napięcie sinusoidalne (sieci zasilającej) występowało już przecież na wejściu układu i wystarczyło podać je na lampę, aby uzyskać sinusoidalny prąd. Tak działają układy ze statecznikiem magnetycznym.



Sieć Filtr przeciw-zakłóceniowy

Prostownik Filtr dolno-

przepustowy

Korektor współ-czynnika mocy

Falow nik Ograniczenie i kształtowanie

prądu Lampa

Regulacja intensywności

Zapłonnik i podgrzewanie

wstępne

Rys. 5. Schemat blokowy rozbudowanego elektronicznego statecznika lampy fluorescencyjnej

Dzięki komplikacji uzyskujemy jednak lepsze warunki pracy lampy (więc dłuższy czas życia), wyższą sprawność świetlną i energetyczną oraz zmniejszenie zaburzeń emitowanych zwrotnie do sieci zasilającej. Prowadzi to do realnych oszczędności i dlatego per saldo opłaca się. Najlepszym dowodem jest stale rosnąca popularność świetlówek kompaktowych (ang. compact fluorescent lamps, CFL) – tj. lamp fluorescencyjnych zintegrowanych w jednej obudowie ze statecznikiem elektronicznym. (Potoczne określenie żarówka energooszczędna jest błędne, gdyż termin żarówka oznacza lampę żarową, tj. w której świecenie odbywa się w wyniku fizycznego zjawiska żarzenia.)

Z powyższych względów świetlówki kompaktowe zdobywają rynek mimo wyższej ceny zakupu od lamp żarowych. Ma na to wpływ również stopniowe wprowadzanie przepisów eliminujących te ostatnie jako najmniej efektywne z elektrycznych źródeł światła. W obecnej chwili jedyną konkurencję dla kompaktowych lamp fluorescencyjnych stanowią lampy elektroluminescencyjne (ang. LED Lamps od LED – Light Emitting Diode).

2.3.c. Konfiguracja półmostkowa

Kluczową część statecznika elektronicznego stanowi falownik zintegrowany z blokami ograniczenia i kształtowania prądu oraz podgrzewania wstępnego (por. rys. 5). Prostownik z filtrem jest wprawdzie niezbędny, ale pełni rolę podrzędną – źródła zasilania dla falownika. Pozostałe bloki są zaś opcjonalne. Dlatego obecnie skupimy się na działaniu falownika i powiązanych z nim bloków następnych.

Falowniki elektronicznych stateczników lamp fluorescencyjnych posiadają z reguły dwa klucze półprzewodnikowe. W produktach europejskich pracują one w konfiguracji półmostka (ang. half-bridge), zaś w amerykańskich – zwykle w konfiguracji przeciwsobnej (ang. push-pull). Układ badany w niniejszym ćwiczeniu jest typu europejskiego.

Uproszczony schemat falownika półmostkowego przedstawia rys. 6. Wyprostowane (jednobiegunowe) napięcie zasilania Ud pochodzi z wyjścia filtru prostownika (patrz rys. 5), który znajduje się już poza schematem. Dla uproszczenia założymy, że napięcie to jest idealnie stałe. Schemat zawiera więc następujące bloki:

1) falownik – półmostek utworzony przez tranzystory T1 i T2 oraz kondensatory C1 i C2, którego obwód sterownia stanowi transformator o trzech uzwojeniach (Ltra, Ltrb i Ltrc) wraz z opornikami RB1 i RB2;

2) blok ograniczenia i kształtowania prądu – obwód rezonansowy tworzony przez dławik L i na przemian kondensatory C1 i C2 (w danej chwili w obwodzie rezonansowym obecny jest tylko jeden z nich);

3) lampę fluorescencyjną;

4) blok zapłonnika i podgrzewania wstępnego – dławik L i kondensator C3.

Ponieważ falownik jest zasilany bezpośrednio z układu mającego charakter źródła napięcia (prostownik z filtrem), mówimy, że jest zasilany napięciowo. Z kolei ze względu na to, że zawiera on szeregowy (względem odbiornika) obwód rezonansowy LC, nazywamy go rezonansowym



szeregowym. Jak widać, nie jest możliwe rozdzielenie falownika i kolejnych bloków – kilka elementów pełni bowiem jednocześnie różne funkcje.

iC,T1

C3

iC,T2

us=uBB,T2

T2

uCE,T1

+

T1

–

Ltra

RB2

ip

ifl

i

Ns C1

Np

iB,T2 L

uCE,T2

Ltrb

Ns

up

is

Ltrc C2

Ud

RB1

Rys. 6. Uproszczony schemat elektronicznego statecznika – rezonansowego szeregowego falownika półmostkowego zasilanego napięciowo (napięcie Ud reprezentuje wyjście prostownika)

Konfigurację pracy tranzystorów widoczną na rys. 6 nazwaliśmy półmostkiem. Jest to konfiguracja podobna do mostka (ang. full bridge, zob. par. 3.2.b). Dla obu charakterystyczne jest wpisanie elementów obwodu głównego w kontur czworokąta.

Ścieżki, którymi w półmostku lub mostku może płynąć prąd, nazywamy:

1) gałęziami (ang. legs) – jeżeli łączą sąsiednie wierzchołki czworokąta;

2) przekątnymi (ang. diagonals) – jeżeli łączą wierzchołki nie sąsiadujące ze sobą (leżące po przekątnej).

Jedyna różnica między półmostkiem a mostkiem polega na tym, że w mostku klucze półprzewodnikowe znajdują się we wszystkich gałęziach, natomiast w półmostku – tylko w połowie z nich.

W układzie z rys. 6:

— jedną gałąź (lewą) tworzą dwa tranzystory bipolarne T1 i T2 – elementy elektroniczne aktywne, dlatego jest ona zwana gałęzią aktywną (ang. active leg);

— drugą gałąź (prawą) tworzą dwa kondensatory C1 i C2 – elementy elektroniczne bierne, dlatego jest ona zwana gałęzią bierną (ang. passive leg);

— jedyną przekątną, łączącą środki (ang. middle points) gałęzi aktywnej i biernej, tworzą: lampa z równoległym kondensatorem C3, dławik L i uzwojenie pierwotne transformatora Ltra.

2.3.d. Działanie elektronicznego statecznika półmostkowego zasilanego napięciowo

Ogólnie układ jest skonstruowany w taki sposób, że tranzystory są załączane cyklicznie (okresowo) i naprzemiennie (w każdej chwili jeden jest załączony, a drugi – wyłączony). Naprzemienność powoduje podział okresu pracy na dwa takty:

1) kiedy załączony jest tranzystor T2, prąd płynie przez przekątną mostka w lewo (na rys. 6), w obwodzie: Ud(+) – C1 – lampa (lub przed zapłonem C3) – L – Ltra – T2 – Ud(−);



2) kiedy załączony jest tranzystor T1, prąd płynie przez przekątną mostka w prawo, w obwodzie: Ud(+) – T1 – Ltra – L – lampa (lub C3) – C2 – Ud(−).

Na rys. 7 przedstawiono idealizowane przebiegi w układzie. Posłużą nam one do wyjaśnienia zasady działania. Pomińmy fazę zapłonu, w czasie której obwód rezonansowy tworzony przez elementy L i C3 generuje odpowiednio wysokie napięcie na lampie, a jednocześnie kondensator C3 umożliwia przepływ prądu przez elektrody, co doprowadza do ich podgrzania. Po pomyślnym zapłonie układ działa w następującym cyklu.

1. Załóżmy, że w chwili t = 0 załączony zostaje tranzystor T2, natomiast przedtem przewodził tranzystor T1. Przy strzałkowaniu jak na rys. 6, prąd i posiada więc wartość ujemną. Zauważmy, że prąd i jest równy prądowi iC,T2 i w przybliżeniu prądowi lampy ifl. Po zapłonie impedancja lampy jest dużo mniejsza od impedancji kondensatora C3; dlatego prąd tego kondensatora jest zaniedbywalny, a jego wpływ na działanie układu – praktycznie żaden.

2. W chwili załączenia tranzystora T2 i wyłączenia tranzystora T1, napięcie uCE,T2 spada do niskiej wartości – napięcia nasycenia. Jest ono dużo mniejsze od napięcia zasilania Ud, można więc je uznać za zaniedbywalnie małe, a obwód C-E załączonego tranzystora T2 – traktować jako zwarcie. W związku z tym napięcie uCE,T1 jest w przybliżeniu równe Ud.

Na obwód C1 – lampa – L – Ltra podane jest więc napięcie Ud skierowane w prawo (względem przekątnej mostka). Wymuszany jest więc przepływ dodatniego prądu i (zgodnie ze strzałką). Zmiana kierunku prądu dokonuje się jednak nie natychmiastowo, ale w przybliżeniu po połówce sinusoidy. Płynie on bowiem w szeregowym obwodzie rezonansowym tworzonym przez elementy C1 i L. Wpływ elementów C3 i Ltra na parametry tego obwodu jest zaniedbywalnie mały ze względu na wartości tych elementów względem C1 i L. Szybkość narastania prądu lampy wynika z parametrów obwodu rezonansowego.

3. Przeanalizujmy obwód bazy tranzystora T2. Prąd iB,T2 i napięcie uBB,T2 są w nim indukowane za pośrednictwem odpowiednio włączonego uzwojenia wtórnego Ltrc. Oznaczmy przez Np liczbę uzwojeń po stronie pierwotnej (Ltra), a przez Ns – po stronie wtórnej (Ltrb, Ltrc). Z równań transformatora wynika, że

s

p

T2C,

s

p

s

p

psT2B,N

Ni

N

Ni

N

Niii −=−=−=−= (2.3)

p

stra

p

sp

tra

p

spsT2BB,

d

d

d

d

N

N

t

iL

N

N

t

iL

N

Nuuu ==== (2.4)

przy czym indukcyjność uzwojenia pierwotnego jest proporcjonalna do przenikalności magnetycznej rdzenia:

µ∝traL (2.5)

Jak widać, początkowo z powyższych równań wynika przepływ dodatniego prądu bazy i dodatnie napięcie indukowane na uzwojeniu wtórnym zasilającym ten obwód.

4. Kiedy prąd lampy osiągnie wartość wynikającą z zależności (2.1), powinno dojść do odwrócenia tendencji z narastającej na opadającą. Dzieje się to przez zmianę polaryzacji napięcia wymuszonego na przekątnej półmostka. Jak powiedzieliśmy w punkcie 2, dotychczasowa polaryzacja tego napięcia wynikała z takiego a nie innego załączenia/wyłączenia tranzystorów. Odwrotne ich załączenie zmieni tę polaryzację na przeciwną. Musi więc dojść do przełączenia tranzystorów (wyłączenia T2, załączenia T1).

5. Przełączenie tranzystorów realizuje się dwutorowo, za pośrednictwem odpowiednio skonstruowanego transformatora.



Po pierwsze, uzwojenie pierwotne Ltra i wtórne Ltrc są tak włączone (początki cewek), że przejście prądu kolektora na wartości dodatnie powoduje przejście prądu bazy na wartości ujemne. W wyniku tego rozpoczyna się wyłączanie tranzystora T2. Ponieważ jednak tranzystor ten pracuje głęboko w zakresie nasycenia, proces wyłączania trwa długo. Jak widać na rys. 7, czas wyłączania jest znaczący w porównaniu z okresem przełączania.

Po drugie, każdy rdzeń magnetyczny wykazuje tendencję do nasycania się w miarę wzrostu natężenia pola magnetycznego. Natężenie pola jest zaś proporcjonalne do prądu uzwojeń. Nasycenie rdzenia objawia się między innymi spadkiem jego przenikalności magnetycznej µ, czyli zgodnie z zależnością (2.5) – spadkiem indukcyjności. To z kolei powoduje ograniczenie zasilania obwodu bazy zgodnie z równaniem (2.4).

Współdziałanie obu powyższych czynników prowadzi do ograniczenia szybkości narastania prądu kolektora iC,T2, a po pewnym czasie – do rozpoczęcia jego spadku.

6. Zauważmy, że gdy załączony jest tranzystor T2, i = iC,T2 = ip. Kiedy więc tylko prąd kolektora tranzystora T2 zaczyna spadać, rdzeń transformatora wychodzi z nasycenia i jego indukcyjność rośnie. Jednak napięcie uBB,T2 będzie teraz zgodnie ze wzorem (2.4) ujemne. Natomiast w drugim uzwojeniu wtórnym Ltrb zaindukuje się napięcie dodatnie (tak samo jak napięcie uBB,T2 na początku taktu 1).

W wyniku tego złącze baza-emiter tranzystora T1 zostaje spolaryzowane w kierunku przewodzenia. W obwodzie bazy T1 zaczyna się przepływ prądu o wartości narzuconej przez równanie analogiczne do (2.3). Tranzystor T1 zaczyna więc przewodzić i przejmuje prąd i. W ten sposób układ przechodzi do 2. taktu pracy. Proces przełączenia prądu z jednego tranzystora na drugi trwa bardzo szybko w porównaniu z okresem pracy układu.

7. Oczywiście w takcie 2 napięcie uCE,T1 spada do niskiej (prawie zerowej) wartości (obwód C-E tranzystora T1 stanowi zwarcie). Z kolei uCE,T2 ≈ Ud. Stan wyłączenia tranzystora T2 jest podtrzymywany przez ujemne napięcie uBB, nadal spełniające zależność (2.4).



Rys. 7. Przebiegi w układzie statecznika elektronicznego półmostkowego



Drugi takt pracy przebiega symetrycznie do pierwszego, z tym że napięcie na przekątnej mostka jest obecnie skierowane w lewo, co wymusza zmianę kierunku przepływu prądu zgodnie ze strzałką iC,T1 i przeciwnie do strzałki i.

Zauważmy, że dławik L pełni w rozważanym układzie dwojaką rolę (nie licząc funkcji pełnionej podczas zapłonu):

1º statecznika lampy – ogranicza narastanie prądu, oraz

2º składnika obwodu rezonansowego – wraz z kondensatorami półmostka pozwala uzyskać w przybliżeniu sinusoidalny kształt prądu lampy, czyli prądu wyjściowego falownika.


3. Prostowniki

3.1. Charakterystyka ogólna

3.1.a. Funkcja i zastosowanie prostowników

Źródłem energii dla układów elektronicznych jest najczęściej jedno- lub trójfazowa sieć energetyczna niskiego napięcia przemiennego. W Europie parametry znamionowe sieci niskiego napięcia to: skuteczne napięcie fazowe 230 V i częstotliwość 50 Hz (w Ameryce i Japonii: 120 V, 60 Hz). Jednakże bardzo często rozważane układy muszą być zasilane napięciem stałym. Jest ono wymagane przez większość nowoczesnego sprzętu domowego i biurowego. Zawiera on bowiem cyfrowe bloki sterowania, wymagające zasilania napięciem stałym.

Dlatego też niezbędne jest stosowanie odpowiednich przekształtników energii elektrycznej – przekształtników AC-DC zwanych też prostownikami. Jak wiadomo, rolą tych układów jest przekształcanie energii związanej ze składową przemienną prądu i napięcia na energię związaną ze składową stałą prądu i napięcia. Z reguły kluczową wielkością zarówno wejściową, jak i wyjściową, jest napięcie. Natomiast pobór i wydawanie prądu wynika z tego napięcia i charakterystyk odbiornika.

Wbrew potocznemu rozumieniu, prostownik nie musi wytwarzać napięcia stałego. Definicja przekształtnika AC-DC mówi jedynie o tym, że decydująca część mocy czynnej wyjściowej ma być związana ze składową stałą. Rozważany w niniejszym ćwiczeniu układ statecznika jest właśnie przykładem aplikacji nie wymagającej napięcia stałego. Wystarczy, że napięcie nie spadnie nigdy poniżej poziomu powodującego wyłączenie lampy. To bowiem spowodowałoby jej migotanie z częstotliwością 100 Hz (patrz paragraf 2.2.d). Z punktu widzenia kosztów i wymiarów prostownika, brak wymagania stałości napięcia wyjściowego jest korzystny. Bowiem parametry te silnie rosną wraz z wymaganą skutecznością filtracji.

Istnieją również układy w ogóle nie wymagające filtracji. Napięcie może się w nich zmieniać dokładnie tak, jak napięcie wejściowe – z jednym wyjątkiem. Musi to być napięcie jednobiegunowe, a nie dwubiegunowe, tj. jego polaryzacja (znak, zwrot) nie może się zmieniać. Takie wymaganie narzucają niektóre układy oparte na kluczach półprzewodnikowych pozbawionych sterowalności przy polaryzacji wstecznej. Na przykład, jeżeli dany klucz pozbawiony jest stanu zaworowego (jak tranzystor MOSFET), to zasilenie obwodu mocy napięciem dwubiegunowym powodowałoby w każdym półokresie ujemnym automatyczne załączenie tego klucza – co niekoniecznie jest pożądane. Natomiast zasilenie obwodu mocy napięciem jednobiegunowym pozwala na kontrolowane załączanie klucza w każdym półokresie.

W najprostszym przypadku prostownik realizuje więc funkcję modułu (wartości bezwzględnej). Napięcie jednobiegunowe uzyskane z dwubiegunowego nazywamy napięciem wyprostowanym. Można udowodnić, że już przy napięciu wyjściowym będącym tylko wartością bezwzględną napięcia przemiennego, decydująca część mocy czynnej związana jest ze składową stałą. Część ta staje się tym większa, im lepsza filtracja napięcia, tj. im większa jego stałość w czasie.



3.1.b. Podział

Podstawowy podział prostowników opiera się o dwie rodziny topologii (połączeń kluczy półprzewodnikowych). Według tego kryterium wyróżniamy:

1) prostowniki jednokierunkowe (gwiazdowe) – w których gałęzie z kluczami zbiegają się w jednym punkcie. Najprostszym przykładem jest jedna gałąź z jednym zaworem (potocznie prostownik jednopołówkowy);

2) prostowniki dwukierunkowe (mostkowe) – w których gałęzie z zaworami półprzewodnikowymi tworzą mniej lub bardziej skomplikowane połączenia mostkowe (patrz paragraf 2.3.c). Najprostszym przykładem jest popularny prostownik o topologii mostka Graetza z czterema kluczami.

Większość prostowników energetycznych – tj. realizujących faktycznie przetwarzanie energii elektrycznej – pracuje z częstotliwością sieciową 50 Hz (60 Hz). W odniesieniu do związanego z nią okresu 20 ms (16⅔ ms), nawet najpowolniejsze przyrządy półprzewodnikowe mocy przełączają się dużo szybciej (1–10 µs). Dlatego do zastosowań w tego typu przekształtnikach znakomicie nadają się:

1º diody w wykonaniu niskiej częstotliwości – tzw. diody prostownicze (ang. rectifiers);

2º tyrystory w wykonaniu niskiej częstotliwości – tzw. tyrystory częstotliwości sieciowej (ang. phase-control tryristors).

Zaletą tych przyrządów są przede wszystkim: niska cena oraz niski spadek potencjału w stanie załączenia i niska rezystancja dynamiczna (szybkość wzrostu napięcia w funkcji prądu), co wynika z bipolarnego przewodnictwa.

Układy o topologii prostowników są też wykorzystywane do przetwarzania sygnałów, tj. przebiegów niosących nie energię, ale informację. Sygnały te mogą mieć wysoką częstotliwość, co wymaga stosowania przyrządów szybkich. Jednak prostownik nie jest wówczas układem mocy; dlatego ten przypadek nie jest przedmiotem naszego zainteresowania.

Diody i tyrystory różnią się głównie możliwością sterowania. Wypływa z tego kolejne kryterium podziału:

1) prostowniki niesterowane – to układy, w których nie można sterować stosunkiem mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Są to oczywiście układy diodowe;

2) prostowniki sterowane – to układy, w których możliwa jest zmiana stosunku mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Są to oczywiście układy tyrystorowe.

W ćwiczeniu 2 stwierdziliśmy, że zasada działania – w tym sterowania – tyrystorów dwukierunkowych predestynuje je do zastosowań w sterownikach prądu przemiennego. Jak zobaczymy, zasada działania tyrystorów konwencjonalnych (jednokierunkowych, SCR) sprawia, że znakomicie nadają się one do stosowania w prostownikach.

3.1.c. Parametry

Istotnym parametrem prostowników jest liczba tętnieniowa p (lub liczba impulsów, ang. pulse number). Mówi ona, ile razy w okresie napięcia wejściowego prąd jest przełączany między kluczami wchodzącymi w skład przekształtnika. Jest to jednocześnie liczba impulsów prądu przekształtnika w okresie napięcia wejściowego.

Fakt zmienności napięcia wyjściowego prostownika nazywamy tętnieniem (ang. ripple). Ten sam termin jest również używany jako potoczna nazwa parametru opisującego wielkość tej zmienności. Nie jest to jednak jednoznaczne, gdyż może chodzić o jeden z trzech parametrów przebiegu: wartość międzyszczytową Uo(pp), amplitudę Uo(m) lub wartość skuteczną (składowej przemiennej) Uo(a)(rms).

Tętnienie najczęściej podaje się w postaci względnej – odniesione do składowej stałej Uo(0). Parametr ten nazywa się współczynnikiem tętnienia (ang. ripple factor). Można go zdefiniować w oparciu o każdy z trzech podanych wyżej parametrów bezwzględnych przebiegu.

Prostowniki B 3 ◆ 23


W niniejszym ćwiczeniu tętnienie będziemy opisywać za pomocą wartości międzyszczytowej jako łatwiejszej do pomiaru oscyloskopem. W związku z tym przyjmiemy definicję współczynnika tętnienia w postaci

o(0)

o(pp)∆

oU

Uru = (3.1)

przy czym wartość międzyszczytowa (ang. peak-to-peak value) dowolnego przebiegu x równa jest z definicji

valpk

∆

pp xxx −= (3.2)

gdzie xpk – wartość szczytowa przebiegu x, xval – wartość doliny przebiegu x. Biorąc pod uwagę, że składowa stała równa jest wartości średniej Uo(av), wzór (3.1) można zapisać w postaci

o(av)

o(val)o(pk)

o(av)

o(pp)

oU

uu

U

Uru

−== (3.3)

Z punktu widzenia kluczy półprzewodnikowych istotne są natomiast wartości robocze (tj. występujące podczas normalnej pracy układu) prądów przez nie płynących i napięć na nich blokowanych. Zasadniczo wartości te narzucone są przez wejście i wyjście przekształtnika, przy czym dla typowych topologii są one proporcjonalne odpowiednio do prądu i napięcia wyprostowanego (wyjściowego). Odpowiednie współczynniki proporcjonalności dla podstawowych układów prostownikowych, uzyskane drogą analityczną, podaje się w tabelach.



3.2. Działanie najprostszych prostowników diodowych

3.2.a. Układ gwiazdowy jednopulsowy

Działanie mostka Graetza występującego w aplikacji badanej w niniejszym ćwiczeniu łatwiej będzie zrozumieć, jeżeli zaczniemy od prostownika najprostszego. Jest nim układ gwiazdowy złożony z jednej tylko gałęzi, przedstawiony na rys. 8a. Zawiera on jeden klucz niesterowalny – diodę. Odbiornik – o którym dla uproszczenia zakładamy, że ma charakter rezystancyjny – reprezentowany jest przez opornik RL.

Przyjmijmy dla ustalenia uwagi, że przekształtnik ten zasilany jest z jednej z faz sieci niskiego napięcia, którą będzie reprezentować idealne źródło napięciowe. Napięcie ui jest więc napięciem fazowym, o wartości skutecznej Ui = 230 V i częstości ω = 2πf = 100π Hz. Równanie napięcia wejściowego ma więc postać (patrz rys. 8b)

tUu ωsin2 ii = (3.4)

Amplituda napięcia sieci jest o 2–3 rzędy wielkości większa od napięcia progowego diody i od napięcia na niej w stanie załączenia. Dlatego wielkości te możemy uznać za zaniedbywalnie małe – bliskie zera. Przy tym założeniu, w pomijalnie krótkim czasie od przejścia sinusoidy napięcia ui przez zero następuje załączenie diody, w wyniku czego

0D1 ≈u (3.5)

Można więc uznać, że wyjście jest zwarte do wejścia i napięcie wyjściowe uo jest równe (rys. 8b)

iD1io uuuu =−= (3.6)

Z prawa Ohma prąd wyjściowy io wynosi

L

oiD1oR

uiii === (3.7)

Zwróćmy uwagę, że w tym układzie prąd wyjściowy, prąd klucza i prąd wejściowy są sobie równe.

Kiedy napięcie źródła przechodzi na wartości ujemne, napięcie na diodzie staje się również ujemne. Dioda wyłącza się, co – jak stwierdziliśmy – dzieje się w czasie niezauważalnym w skali okresu sieci. W układzie nie płynie więc prąd, a całe napięcie wejściowe odłoży się na blokującej diodzie (rys. 8b):

0iD1o === iii (3.8)

0Loo == Riu (3.9)

ioiD1 uuuu =−= (3.10)

Praca układu jest więc dwutaktowa:

1) takt pierwszy odpowiada dodatniemu półokresowi napięcia wejściowego; dioda jest wówczas załączona;

2) takt drugi odpowiada ujemnemu półokresowi napięcia wejściowego; dioda jest wówczas wyłączona.



a)

uo

uD1

RL

ii iD1

ui

D1 io

b)

Rys. 8. Niesterowany prostownik gwiazdowy jednopulsowy: a) schemat; b) przebiegi napięć i prądów



W jednym okresie napięcia wejściowego prąd jest załączany tylko raz i brak jest przełączenia do jakiegokolwiek innego klucza (w obwodzie jest bowiem tylko jeden klucz). W związku z tym rozważany prostownik jest jednopulsowy (liczba tętnieniowa p = 1). Zgodnie z przedstawioną w paragrafie 3.1.c interpretacją liczby tętnieniowej, w jednym okresie napięcia wejściowego występuje jeden impuls prądu wyjściowego, co widać na rys. 8b.

W tym układzie średnie napięcie wyjściowe wynosi

i(m)

i(m)i(m)2

0

i(m)

2

0

i(m)

2

0

i(m)

2

2

0

ioo(av)

π

1)11(

π2)0cosπ(cos

π2

π2cos

π2

d π2

sin1

d sin1

d0d1

d1

UUU

T

tT

T

U

tT

tU

TttU

Tttu

Ttu

TU

T

TTT

T

T

T

=−−−=−−=

−=

===

+== ∫∫∫∫∫ ω

(3.11)

Z kolei wartość międzyszczytowa wynosi Ui(m) (patrz rys. 8b). Stąd współczynnik tętnienia napięcia wyjściowego

14,3πi(m)π

1

i(m)

o(av)

o(pp)

o ====U

U

U

Uru (3.12)

3.2.b. Mostek Graetza

Wadą prostownika jednopulsowego jest przewodzenie wyłącznie w jednym półokresie napięcia wejściowego. Jest to problemem:

1º od strony wyjścia – gdyż przez połowę czasu brak dopływu energii. Ewentualny zbiornik energii na czas nieprzewodzenia (np. kondensator) musiałby więc mieć bardzo dużą pojemność;

2º od strony wejścia – gdyż prąd płynie zawsze w tę samą stronę, co oznacza niezerową składową stałą. Składowa stała ma negatywny wpływ na działanie układów z transformatorami, gdyż powoduje niekorzystne podmagnesowywanie rdzeni; tymczasem transformatory są powszechnie stosowane w sieci energetycznej i w układach z niej zasilanych.

Wadę 2 eliminuje, zaś wadę 1 redukuje układ nazywany mostkiem Graetza. Zawiera on 4 klucze połączone jak na rys. 9a (wersja niesterowana – diodowa). W działaniu tego układu można również wyróżnić dwa takty. W analizie działania oprzemy się na przebiegach zamieszczonych na rys. 9b. Schemat układu z uwzględnieniem rzeczywistych zwrotów prądów i napięć przedstawiono na rys. 10a i 10c. Natomiast schemat równoważny, na którym diody zastąpiono kluczami idealnymi w odpowiednim stanie (zwarcie lub rozwarcie), przedstawiono na rys. 10b i 10d.

1. Kiedy napięcie wejściowe ui jest dodatnie, diody D1 i D4 są spolaryzowane w kierunku przewodzenia (rys. 10a). Kiedy tylko napięcie to przekroczy sumę napięć progowych tych diod (a więc prawie zero), diody D1 i D4 zaczynają przewodzić. Prąd płynie zgodnie z kierunkiem strzałek od dodatniego bieguna źródła przez D1 do odbiornika RL i dalej przez D4 do ujemnego bieguna źródła.

Załączone diody D1 i D4 można traktować jak zwarcia (rys. 10b). W związku z tym anoda diody D3 jest zwarta przez diodę D4 do ujemnego bieguna źródła us. Jej katoda jest na stałe połączona z dodatnim biegunem źródła. W związku z tym jest ona spolaryzowana zaporowo. Tak samo spolaryzowana jest dioda D2. Jej anoda jest połączona na stałe z ujemnym biegunem, zaś katoda – zwarta do dodatniego przez załączoną diodę D1.

Diody D2 i D3 są więc wyłączone, a na każdej z nich panuje napięcie wsteczne równe co do wartości napięciu źródła (patrz rys. 9b – linie kreskowe). Oczywiście nie płynie przez nie żaden prąd.



a)

iD3 RL

uD2

io

uD4 uo

D1 iD2

iD4 ui

ii iD1

io

uD1

ii

uD3

D2

D3 D4

b)

Rys. 9. Niesterowany prostownik mostkowy (mostek Graetza): a) schemat; b) przebiegi napięć i prądów



a)

RL uo

D1

ui

D2

D3 D4

b)

RL uo

D1

ui

D2

D3 D4

c)

RL uo

D1

ui

D2

D3 D4

d)

RL uo

D1

ui

D2

D3 D4

Rys. 10. Mostek Graetza w dwóch taktach pracy z uwzględnieniem rzeczywistych zwrotów napięć i prądów (oprócz strzałek ui i uo, które są zawsze zgodne z rys. 9) oraz po przybliżeniu diod kluczami idealnymi: a, b) dodatni półokres napięcia wejściowego ui; c, d) ujemny półokres napięcia wejściowego ui

Również odbiornik RL jest zwarty przez diody D1 i D4 do źródła us. Wynika z tego, że uo = ui. Prąd wyjściowy io zgodnie z prawem Ohma wynosi uo/RL – jest więc proporcjonalny do napięcia ui (patrz rys. 9b). Ponieważ prąd ten płynie w pętli obejmującej cały obwód, więc ii = iD1 = iD4 = io.

Rzeczywiste zwroty napięć i prądów są więc zgodne z rys. 9a oprócz napięć na diodach D2 i D3, które są polaryzowane wstecznie. Przedstawiają to rys. 10a i 10b.

2. Kiedy napięcie wejściowe ui jest ujemne (tj. ma zwrot przeciwny do strzałkowania na rys. 9a), sytuacja jest odwrotna. Diody D2 i D3 są polaryzowane w kierunku przewodzenia, w wyniku czego załączają się (rys. 10c). Z kolei diody D1 i D4 są polaryzowane w kierunku zaporowym, w wyniku czego wyłączają się. Ujemne napięcie na diodach D1 i D4 jest równe co do wartości napięciu ui, gdyż załączone diody D2 i D3 odpowiednio zwierają katodę diody D1 i anodę D4 (rys. 10d).

Diody D2 i D3 zwierają również odbiornik RL do źródła wejściowego. Czynią to w taki sposób, że górna końcówka odbiornika jest nadal (jak w takcie 1) zwierana do bieguna źródła o wyższym potencjale (czyli obecnie bieguna dolnego). Napięcie uo jest więc co do wartości równe ui, ale ma znak dodatni.

Ze względu na stale dodatnią polaryzację napięcia uo, również prąd io płynie w obu taktach w tę samą stronę – w kierunku zgodnym ze strzałkowaniem na rys. 9a (patrz rys. 9b i 10). Obecnie prąd ten płynie w obu półokresach, raz przez jedną, raz przez drugą parę diod. W każdym okresie napięcia wejściowego następują dwa przełączenia prądu: do pary gałęzi D1, D4, a następnie do pary gałęzi D2, D3. W związku z tym liczba tętnieniowa wynosi 2, a prostownik nazywamy dwupulsowym. Na każdy okres napięcia wejściowego przypadają w nim dwa sinusoidalne impulsy prądu wyjściowego.

Również prąd wejściowy płynie w obu półokresach. Kierunek tego prądu jest z kolei zmienny, zawsze zgodny z kierunkiem napięcia wejściowego (patrz rys. 10). Ze względu na symetrię działania układu w obu taktach, przebieg prądu ii co do wartości jest w obu półokresach taki sam; zmienia się tylko jego znak (patrz rys. 9b). Oznacza to, że wartość średnia, czyli składowa stała, jest zerowa.

W tym układzie średnie napięcie wyjściowe wynosi



i(m)

i(m)i(m)

2

2

0

i(m)

2

i(m)

2

0

i(m)

2

i(m)

2

0

i(m)

2

i

2

0

ioo(av)

π

2)]11()11[(

π2)]πcosπ2(cos)0cosπ[(cos

π2

π2cos

π2

π2cos

π2

d π2

sind π2

sin1

d sind sin1

)d(d1

d1

UUU

T

tT

T

tT

T

U

tT

tUt

T

tU

T

ttUttUT

tutuT

tuT

U

T

T

T

T

T

T

T

T

TT

T

T

T

=+−−−−=−−−−=

=

−−

−=

=

−=

=

−=

−+==

∫∫

∫∫∫∫∫ ωω

(3.13)

Wartość międzyszczytowa wynosi nadal Ui(m) (patrz rys. 9b). Stąd współczynnik tętnienia napięcia wyjściowego

57,12

π

i(m)π2

i(m)

o(av)

o(pp)

o ====U

U

U

Uru (3.14)

wynosi więc dwukrotnie mniej niż w poprzednim układzie. Napięcie wyjściowe jest więc bliższe stałemu, a jego rzeczywistą stałość można by osiągnąć z użyciem uboższych środków.



3.3. Mostek Graetza z kondensatorem

3.3.a. Zmniejszenie tętnienia na wyjściu za pomocą kondensatora

Często przekształtnik ma dostarczyć napięcie nie tylko jednobiegunowe, ale również o małym tętnieniu. W takim wypadku konieczne jest użycie elementu lub elementów, które zapewnią stałość napięcia wyjściowego. Można do tego celu użyć pojedynczego elementu biernego przeciwstawiającego się zmianom napięcia – kondensatora. Rozwiązanie to ma wiele wad, jednak zwykle jest najprostszym i najtańszym. Stosuje się je przede wszystkim tam, gdzie prąd pobierany przez odbiornik nie jest duży, lub wymagania co do tętnień nie są zbyt ostre.

Rys. 12a przedstawia układ z rys. 9a z kondensatorem włączonym równolegle do wyjścia. Przebiegi napięć i prądów w tym układzie pokazuje natomiast rys. 12b. Ponieważ kondensator przeciwstawia się zmianom napięcia, na pewno nie będzie ono opadać tak szybko jak poprzednio.

Rozpocznijmy analizę pracy układu w pierwszym, dodatnim maksimum sinusoidy napięcia wejściowego ui (chwila t1). Za maksimum napięcie ui opada sinusoidalnie jak poprzednio. Natomiast napięcie uo opada w przybliżeniu wykładniczo (patrz rys. 12b), co wynika z rozładowywania kondensatora C przez odbiornik RL. W związku z tym uo > ui. Zwróćmy zaś uwagę, że (idąc od źródła wzdłuż pętli D1 – RL – D4)

oiD4D1D4oD1i 0 uuuuuuuu −=+⇒=−−− (3.15)

Wynika z tego, że suma napięć na diodach D1 i D4 jest ujemna. A więc nie tylko diody D2 i D3, ale również D1 i D4 są spolaryzowane zaporowo. Prąd nie płynie przez żadną diodę, a więc prąd wejściowy jest zerowy. Prąd wyjściowy musi być zaś proporcjonalny do napięcia wejściowego zgodnie z prawem Ohma.

Przepływ prądu wyjściowego podtrzymywany jest dzięki ładunkowi zmagazynowanemu w kondensatorze C. Ładunek ten z upływem czasu zmniejsza się, gdyż

∫= tiq d∆ oC (3.16)

Temu z kolei towarzyszy spadek napięcia na kondensatorze (równego uo) zgodnie z zależnością

C

qu C

C = (3.17)

Tymczasem napięcie ui spada do zera w chwili t2, a następnie narasta w drugim kierunku. Zauważmy, że (idąc od źródła w dół wzdłuż pętli D2 – RL – D3)

oiD3D2D3oD2i 0 uuuuuuuu −−=+⇒=−−−− (3.18)

Obecnie ui jest ujemne, więc −ui jest dodatnie. W chwili t3 napięcie −ui przekracza napięcie uo. Zgodnie z powyższą zależnością, suma uD2 + uD3 staje się dodania, więc diody D2 i D3 zaczynają przewodzić (patrz rys. 12b).

W przedziale czasu t3–t4 ma miejsce przepływ prądu ze źródła wejściowego przez diody D2 i D3 do kondensatora C. W ten sposób ładunek kondensatora zostaje uzupełniony do takiej wartości, jaką miał w chwili t1. W chwili t4 napięcie ui osiąga minimum (czyli −ui osiąga maksimum) – identycznie jak w chwili t1. W kolejnym półokresie wszystko się powtarza, z tym że napięcie ui staje się dodatnie, a prąd przewodzą diody D1 i D4.

Jak widać na rys. 12b, wartość średnia napięcia wyjściowego Uo(av) uległa podwyższeniu, zaś wartość międzyszczytowa Uo(pp) – zmniejszeniu. A więc współczynnik tętnienia ruo zmalał.



a)

iD3

C RL

uD2

io

uD4 uo

D1 iD2

iD4 ui

ii iD1

io

uD1

ii

uD3

D2

D3 D4

b)

Rys. 12. Mostek Graetza z kondensatorem: a) schemat; b) przebiegi napięć i prądów



3.3.b. Odkształcenie prądu wejściowego

Kształt prądu doładowującego kondensator (iD1 = iD4 i iD2 = iD3) widoczny jest na rys. 12b. Prąd wejściowy ii nadal (jak w układzie bez kondensatora) stanowi sumę prądów diod (ze znakiem minus, gdyż prąd diod D2 i D3 jest skierowany przeciwnie względem strzałkowania ii). W związku z tym jego kształt odbiega od sinusoidy z rys. 9b. Tymczasem napięcie wejściowe – jako napięcie sieci – nadal jest sinusoidalne. W układzie z kondensatorem występuje więc odkształcenie prądu względem napięcia (patrz instrukcja 0, par. 2.5).

Jeżeli przebieg jest odkształcony od sinusoidy, to zgodnie z twierdzeniem Fouriera można go rozpatrywać jako sumę składowej podstawowej – sinusoidy o częstotliwości podstawowej tego przebiegu, oraz składowych harmonicznych – szeregu sinusoid o częstotliwościach równych kolejnym wielokrotnościom częstotliwości podstawowej. Współczynnik zniekształceń harmonicznych prądu wejściowego dhi jest więc niezerowy. Z drugiej strony odkształcenie prądu względem napięcia oznacza, że z punktu widzenia wejścia układ przekształtnik-odbiornik traci charakter rezystancyjny. Pojawia się więc moc bierna, a współczynnik mocy jest mniejszy od jedności.

Podtrzymajmy założenie o idealnie sinusoidalnym kształcie napięcia. Oznaczać to będzie, że zawiera ono jedynie składową podstawową. Z definicji współczynnika mocy (patrz instrukcja 0, par. 2.4) i wzoru Parsevala dla mocy czynnej

ii

)i()i()i(

ii

)i(

i

i

cos

IU

IU

IU

P

S

P k

kkk

k

k ∑∑===

ϕλ (3.19)

Ponieważ napięcie zawiera tylko składową podstawową, więc Ui(1) = Ui, zaś pozostałe Ui(k) są zerowe. Stąd

i

i(1)i(1)

ii

i(1)i(1)i coscos

I

I

IU

IU ϕϕλ == (3.20)

gdzie Ii(1) jest wartością skuteczną składowej podstawowej prądu wejściowego, zaś φi(1) – przesunięciem fazowym między tą składową a napięciem wejściowym ui.

Z kolei współczynnik zniekształceń harmonicznych prądu

i(1)

2)1(i

2i(a)

i(1)

2)1(i

1

2)(i

i(1)

2

2)(i

hI

II

I

II

I

I

dk

k

k

k

i

−=

−

==∑∑∞

=

∞

= (3.21)

gdzie Ii(a) jest wartością skuteczną składowej przemiennej prądu wejściowego. W naszym przypadku prąd ten nie ma składowej stałej, więc wartość skuteczna składowej przemiennej jest równa wartości skutecznej całego przebiegu – Ii(a) = Ii. Dlatego

1

2

i(1)

i

i(1)

2)1(i

2i

i(1)

2)1(i

2i(a)

h −

=

−=

−=

I

I

I

II

I

IId i (3.22)

Stąd po przekształceniach

2h

i(1)

i 1 idI

I+= (3.23)

Podstawiając powyższe do (3.20) otrzymujemy ostatecznie



2h

i(1)

i

i(1)i(1)

1

coscos

idI

I

+==

ϕϕλ (3.24)

gdzie – przypomnijmy – φi(1) jest przesunięciem fazowym między składową podstawową prądu wejściowego ii a napięciem wejściowym ui.

Zależność ta wiąże współczynnik mocy ze współczynnikiem zniekształceń harmonicznych prądu przy założeniu, że napięcie jest sinusoidalne. Im większe zniekształcenia prądu (odkształcenie od sinusoidy), tym niższy współczynnik mocy. Potwierdza to nasze wcześniejsze przewidywania.

3.3.c. Kompatybilność elektromagnetyczna

Wiadomo (patrz instrukcja 0, par. 2.4), że niska wartość współczynnika mocy jest niekorzystna dla sieci energetycznej. Niekorzystny jest również, będący przyczyną niskiego współczynnika mocy, sam niesinusoidalny kształt prądu typowy dla prostowników.

Rzeczywista sieć nie jest idealnie sztywna – tzn. jej napięcie nie jest zupełnie niezależne od prądu. Przy intensywnym poborze prądu napięcie to ulega zmniejszeniu. Jeżeli do sieci przyłączonych jest wiele urządzeń zasilanych z prostowników, to wszystkie one pobierają duży prąd w okolicy maksimum sinusoidy napięcia. To duże chwilowe obciążenie powoduje obniżenie wartości napięcia w okolicy maksimum. Sinusoida staje się więc spłaszczona, czyli samo napięcie ulega zniekształceniu.

Powyższe zjawisko oznacza pogorszenie warunków zasilania (spadek wartości skutecznej napięcia, możliwe zakłócenie pracy niektórych odbiorników przyłączonych do sieci). Obserwujemy więc niekorzystne oddziaływanie jednego układu (prostownika) na inne pracujące w tym samym środowisku (przyłączone do tej samej sieci). Zagadnienie to określamy mianem kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń (ang. electromagnetic compatibility, EMC). Ma ono 3 aspekty – urządzenie kompatybilne elektromagnetycznie:

1º nie zakłóca pracy innych urządzeń,

2º nie jest wrażliwe na zakłócające oddziaływanie pochodzące od innych urządzeń,

3º nie zakłóca własnej pracy.

W celu zapewnienia bezproblemowej pracy wielu urządzeń w jednym środowisku, opracowano i wprowadzono w życie szereg norm dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej. W interesującym nas aspekcie ograniczają one dopuszczalną zawartość harmonicznych w prądzie pobieranym przez dane urządzenie z sieci. Normy te podają, jaką wartość skuteczną mogą osiągać poszczególne harmoniczne w stosunku do mocy znamionowej urządzenia lub do wartości skutecznej całego przebiegu prądu.

Jak wynika z zależności (3.24), poprawa kompatybilności elektromagnetycznej skutkuje jednocześnie korzystniejszym obciążeniem generatora i sieci przesyłowej.


C

Doświadczenie

4. Pomiary

4.1. Układ laboratoryjny

Badany układ statecznika

Badaniom poddawana jest typowa tania świetlówka kompaktowa ze statecznikiem elektronicznym. Moc znamionowa lampy wynosi Pn = 11 W, napięcie znamionowe Un = 230 V.

Pełny schemat statecznika przedstawiony jest na rys. 13. Jak widać, należy on do rodziny układów półmostkowych. Półmostek jest tworzony przez tranzystory T1 i T2 (gałąź aktywna) oraz kondensator C1 (gałąź bierna). Mostek jest więc niesymetryczny – brak kondensatora dołączonego do masy. W przekątną mostka są włączone: lampa z kondensatorem C3, dławik L i uzwojenie pierwotne transformatora Ltra.

Dla uproszczenia analizy przyjęto, że masa układu znajduje się w punkcie Z. W związku z tym wartość potencjału punktu C jest równa wartości napięcia wyprostowanego zasilającego falownik, które jak w paragrafie 2.3.c oznaczymy przez ud.

Poszczególne bloki funkcjonalne (zgodnie z rys. 5) obejmują:

� prostownik – mostek diodowy D1…D4;

� filtr dolnoprzepustowy – kondensator C6;

� falownik – półmostek T1, T2, C1;

� właściwy statecznik – dławik L;

� blok kształtowania prądu wyjściowego – obwód rezonansowy L, C1;

� blok zapłonu – obwód rezonansowy L, C3;

� blok podgrzewania wstępnego – kondensator C3.

Ze schematu wynika, że falownik jest zasilany napięciowo, gdyż napięcie wyprostowane ud z wyjścia filtru prostownika jest podawane bezpośrednio na wejście falownika.

Mimo niesymetrycznej formy półmostka (brak dolnego kondensatora w gałęzi biernej), działanie układu jest praktycznie identyczne z opisanym w paragrafie 2.3.c. Różnica polega na tym, że w takcie 2 prąd nie płynie do masy, ale zamyka się w pętli tworzonej przez tranzystor T1 i kondensator

36 ◆ C 4 Przyrządy i układy mocy – Ćwiczenie 5B. Tranzystory BJT (4.6.2)


C1. Tym samym w takcie 2 układ nie jest zasilany z wyjścia prostownika – brak bowiem drogi powrotu prądu do ujemnego bieguna kondensatora C6. Lampa jest wówczas zasilana energią zgromadzoną podczas taktu 1 w dławiku L i kondensatorze C1.

D1

iiiiHHHH

RE1

R4

D5

iiiiDDDD

C4

D2

AC 230 V 50 Hz

C3

ifl

T1

iiiiGGGG

RB2 D4

Ltrb

Ltrc

C6

CCCC

AAAA EEEE

RB1

HHHH

C5

Ltra

C1

FFFF

ZZZZ

BBBB

ud

T2

R1

R3

D3

RE2

L

uinv

ui

iiiiKKKK

ufl

ii

Rys. 13. Schemat badanego układu statecznika lampy fluorescencyjnej z oznaczeniem wyprowadzonych punktów pomiarowych i fragmentów przewodów (pogrubione linie)

Prowadzenie pomiarów

Układ laboratoryjny umożliwia pomiar napięć za pomocą sond napięciowych. Służą do tego wtyki bananowe z dodatkowymi wyprowadzeniami umożliwiającymi przyłączenie sondy. Wtyki te mogą być dowolnie przenoszone w zależności od bieżących potrzeb pomiarowych.

Możliwy jest również pomiar prądów przez zamknięcie sondy prądowej wokół jednego z fragmentów przewodów wyprowadzonych nad panel układu oraz z tyłu obudowy. Lokalizację tych fragmentów na schemacie (rys. 13) symbolizuje pogrubienie linii; strzałka obok wskazuje kierunek prądu, który należy przyjąć za dodatni.

Aby ułatwić wykonywanie niektórych pomiarów oraz zwiększyć bezpieczeństwo użytkownika, układ ma wbudowany na wejściu transformator separacyjny. Może on być włączony lub wyłączony z obwodu (czego wymagają niektóre pomiary) za pomocą dwóch przełączników z tyłu obudowy układu laboratoryjnego. Oba przełączniki powinny zawsze znajdować się w tym samym położeniu (I lub II).

Uwaga! Układ zasilany jest niebezpiecznym napięciem. W związku z tym należy bezwzględnie przestrzegać następujących zasad bezpieczeństwa.

1. Wszystkie napięcia, ze względu na występujące amplitudy względem masy, powinny być mierzone za pomocą sond z dzielnikiem 1:10 o napięciu dopuszczalnym 600 V.

2. Nie należy dotykać wyprowadzeń gniazd bananowych na panelu ani wyprowadzeń z zamocowanych w nich wtyków bananowych. Grozi porażeniem napięciem o wartości powyżej 300 V!

3. Przenoszenie bananowych wtyków pomiarowych jest dozwolone wyłącznie przy wyłączonym zasilaniu układu.

Pomiary C 4 ◆ 37


4.2. Dwustopniowy przekształtnik AC-AC

Przygotowanie układu

Aby nie tracić czasu, równolegle z pkt. 1 należy wykonywać kolejne punkty.

1. Włączyć komputer. Po zakończeniu logowania skonfigurować połączenie oscyloskopu z komputerem zgodnie z instrukcją dostępną na stanowisku.

2. Włączyć oscyloskop i wprowadzić następujące ustawienia:

Większość przycisków oscyloskopu HM1507 może realizować 2 lub 3 funkcje:

1) przez krótkie wciśnięcie (funkcja podstawowa),

2) przez wciśnięcie i przytrzymanie do sygnału dźwiękowego (funkcja oznaczona przez ),

3) przez wciśnięcie jednocześnie z sąsiednim przyciskiem (funkcja oznaczona przez ).

Jeżeli oscyloskop nie zachowuje się w sposób opisany w instrukcji, należy w pierwszej kolejności upewnić się, że nie została pomyłkowo uaktywniona inna funkcja danego przycisku.

� tryb pracy z cyfrową pamięcią (o ile nie jest już włączony) – przytrzymać przycisk HOLD do sygnału dźwiękowego i zapalenia się dowolnej z kontrolek STOR. MODE;

� tryb pamięci z cyklicznym odświeżaniem – przyciski STOR. MODE �/�, ustawić RFR;

� wyświetlanie przebiegów z obu kanałów – przycisk DUAL;

� sprzężenie ze składową stałą (na obu kanałach) – przycisk AC DC, sygnalizacja na ekranie obok opisu kanału Y1 lub Y2: „=” – sprzężenie ze składową stałą (DC), „~” – sprzężenie bez składowej stałej (AC);

� uwzględnianie tłumienia sondy napięciowej 1:10 (na obu kanałach) – przycisk AC DC przytrzymany (uwzględnianie tłumienia sondy sygnalizowane jest na ekranie przez symbol sondy obok opisu odpowiednio Y1 lub Y2);

� odwracanie przebiegu wyłączone (na obu kanałach) – przycisk INV (odwracanie przebiegu sygnalizowane jest na ekranie przez kreskę nad symbolem kanału odpowiednio Y1 lub Y2);

� wyzwalanie napięciem sieciowym – przycisk TRIG. MODE, ustawić „~” (dokładnie takie ustawienie, nie żadne inne);

� zera obu kanałów (znaczniki ⊥) na tym samym poziomie, na środku ekranu – pokrętła Y‑POS.

3. Oba przełączniki z tyłu obudowy układu laboratoryjnego przełączyć w pozycję II.

4. Przełącznik zasilania na panelu układu ustawić w pozycji „O”. Włączyć układ do sieci poprzez dodatkowy przedłużacz.

5. Sprawdzić, czy po załączeniu zasilania przełącznikiem na panelu układu lampa świeci – jeżeli nie, wyłączyć zasilanie i poprosić o pomoc prowadzącego.

6. Wyłączyć zasilanie układu przełącznikiem na panelu.

Przebiegi napięć i prądów

7. Zaobserwować przebiegi od strony wejścia układu:

a) Sondę napięciową podłączoną do kanału 1 oscyloskopu przyłączyć do układu tak, aby mierzyć napięcie wejściowe ui. Ewentualne inne sondy powinny pozostać nie przyłączone do układu.

Przed wykonaniem kolejnego podpunktu, poprawność połączeń w układzie pomiarowym musi sprawdzić prowadzący!



b) Załączyć zasilanie układu.

c) Na oscyloskopie wyświetlić wyłącznie przebieg z kanału 1 (przycisk CH I) i dostosować:

� podstawę czasu do obserwowanego przebiegu tak, aby widoczne były 2–4 jego okresy,

� wzmocnienie kanału 1 tak, aby przebieg maksymalnie wypełniał ekran w pionie, ale pozań nie wykraczał (nie zmieniać położenia poziomu zera pokrętłem Y-POS).

Obserwowane odkształcenie przebiegu od sinusoidy wynika z faktu, że transformator separacyjny nie jest sztywnym źródłem napięcia, tzn. napięcie na uzwojeniu wtórnym spada, kiedy układ zasilany pobiera prąd.

d) Zapisać mierzony na kanale 1 przebieg ui w pamięci oscyloskopu:

� krótko wcisnąć REFERENCE tyle razy, aby zapalona była wyłącznie kontrolka I,

� następnie ponownie wcisnąć REFERENCE i przytrzymać do sygnału dźwiękowego,

� po czym przebieg powinien zacząć być widoczny w tle ekranu (można to sprawdzić nieznacznie przesuwając przebieg z kanału 1 pokrętłem Y-POS, po czym należy od razu przywrócić położenie poziomu zera na środku ekranu).

e) Wyłączyć zasilanie układu przełącznikiem na panelu.

f) Odłączyć obie końcówki sondy od układu.

g) Sondy z kanałów 1 i 2 oscyloskopu przyłączyć do układu tak, aby mierzyć:

� na kanale 1 – napięcie na wyjściu prostownika ud,

� na kanale 2 – potencjał na środku gałęzi aktywnej falownika (względem masy Z) uinv.

Masy sond napięciowych (końcówki krokodylkowe) są na oscyloskopie zwarte ze sobą i połączone z przewodem ochronnym sieci; w związku z tym muszą być zawsze przyłączone do tego samego potencjału. Inne połączenie grozi przepływem prądu przez oscyloskop i uszkodzeniem jego obwodów wejściowych!

Przed wykonaniem kolejnego podpunktu, poprawność połączeń musi sprawdzić prowadzący!

h) Załączyć zasilanie układu.

i) Wyświetlić przebiegi z obu kanałów 1 i 2 wciskając DUAL. Nie zmieniając żadnych innych ustawień, ustawić na kanale 2 identyczne wzmocnienie i poziom zera, co na kanale 1. Jeżeli przebieg ud nakłada się na przebieg uinv, nieznacznie zmienić położenie jego poziomu zera tylko na tyle, by przebiegi nie nakładały się.

j) Zestaw 3 przebiegów {ud, uinv, ui} obserwowany na oscyloskopie pobrać na komputer – w programie SP107 wcisnąć Read. Upewnić się, że każdy z 3 przebiegów jest widoczny. Zapisać przebiegi do pliku w formacie MES (z formatu tego należy korzystać przez cały czas wykonywania niniejszego ćwiczenia).

Przebiegi zapisane w pamięci oscyloskopu (tzn. przyciskiem REFERENCE) pobierają się jako Ref I (przebieg zapisany z kanału 1) i Ref II (przebieg zapisany z kanału 2). Pobierają się te przebiegi z pamięci, dla których aktualnie świeci się odpowiednia kontrolka I lub II obok przycisku REFERENCE.

8. Zaobserwować przebiegi napięć półmostka:

a) Usunąć zapisany w pamięci przebieg napięcia wejściowego ui z ekranu – krótko wcisnąć REFERENCE tyle razy, aż obie kontrolki I i II zgasną.

b) Włączyć wyzwalanie poziomem stałym – ustawić TRIG. MODE na DC, oraz źródło wyzwalania na przebieg potencjału na środku gałęzi aktywnej uinv – wciskać TRIG do zapalenia się kontrolki odpowiedniego kanału.

c) Ustawić najwyższy poziom wyzwalania, przy którym oscyloskop wyzwala się jeszcze poprawnie – zwiększać nastawę pokrętłem LEVEL dopóki palić się będzie kontrolka wyzwalania TR.

Pomiary C 4 ◆ 39


d) Zmienić podstawę czasu tak, aby możliwa była obserwacja okresowej zmienności przebiegu uinv (zmienności przebiegu, nie zmienności jego górnej obwiedni, która może być obserwowana już w tej chwili bez jakichkolwiek zmian nastaw). Nie zmieniać żadnych innych ustawień. Wynik należy skonsultować z prowadzącym.

e) Pobrać i zapisać zestaw 2 przebiegów {ud, uinv} obserwowany na oscyloskopie.

9. Zaobserwować przebiegi prądów w powiązaniu z potencjałem na środku gałęzi aktywnej uinv:

a) Odłączyć sondę napięciową z kanału 1 od układu, a następnie od oscyloskopu. Na jej miejsce przyłączyć do oscyloskopu sondę prądową.

b) Włączyć sondę prądową. Czerwona kontrolka ON powinna się ciągle świecić.

c) Skonfigurować sondę zgodnie z procedurą podaną w dodatkowej instrukcji dostępnej na stanowisku.

Współczynnik przetwarzania prąd-napięcie sondy prądowej wynosi 100 mV/1 A = 1:10; wartość mierzona na kanale 1 będzie więc wartością natężenia prądu w amperach pod warunkiem, że utrzymane zostanie uwzględnianie tłumienia 1:10 (patrz pkt 2).

Podczas pomiaru prądów należy zachować szczególną ostrożność, aby nie wyrwać przewodów z płytki drukowanej układu! Sondę prądową należy zapinać i odpinać delikatnie oraz trzymać ją w ręku przez cały czas wykonywania pomiaru.

d) Ostrożnie zamknąć sondę prądową wokół fragmentów przewodów oznaczonych jako iG oraz iH tak, aby obserwować niedostępny dla nas prąd lampy ifl jako różnicę prądów kondensatora C1 i kondensatora C3 (zwrócić uwagę na strzałkowanie prądów zgodnie z rys. 13; kierunek traktowany przez sondę jako dodatni oznaczony jest na jej cęgach).

Sonda prądowa mierzy strumień pola magnetycznego wzbudzanego przez prąd płynący w przewodzie, wokół którego zamknięte zostały jej cęgi. Jeżeli cęgi zostaną zamknięte wokół dwóch przewodów, sonda zmierzy sumę strumieni, a więc sumę prądów. Jeżeli jeden z tych przewodów zostanie wprowadzony między cęgi w odwrotnym kierunku, strumień jego pola magnetycznego będzie odwrotnie skierowany, a więc będzie się odejmować od strumienia pochodzącego od drugiego przewodu; tym samym uzyskamy pomiar różnicy prądów.

W badanym układzie występują szybkozmienne napięcia o wysokiej amplitudzie. Powoduje to emisję silnego pola elektromagnetycznego bezpośrednio z układu. Pole to zakłóca pracę sondy prądowej, co można stwierdzić lekko zmieniając jej położenie i orientację – wskazanie na oscyloskopie ulega wówczas zmianie. W celu minimalizacji wpływu tego zjawiska na wynik pomiaru, sondę należy trzymać obok układu, w pewnej odległości (na ile pozwalają na to przewody).

e) Dostosować wzmocnienie kanału 1 tak, aby prąd lampy był widoczny w maksymalnym powiększeniu, ale nie wykraczał poza ekran. Nie zmieniać położenia poziomu zera pośrodku ekranu.

f) Zapisać przebieg prądu lampy w pamięci oscyloskopu [patrz pkt 7.d)].

g) Ostrożnie przełożyć sondę prądową zamykając ją wokół odpowiedniego fragmentu przewodu tak, aby obserwować prąd kolektora tranzystora T1 iC,T1 (zwrócić uwagę na zwrot).

Z powodu występowania wspomnianych wyżej zakłóceń, sondę należy ustawić pod takim kątem, aby w odcinkach czasu, w których prąd tranzystora nie płynie (por. rys. 7), przebieg był na ekranie widoczny zgodnie z rzeczywistością – jako pozioma linia blisko poziomu zera.

h) Włączyć odwracanie przebiegu z sondy (przycisk INV kanału 1, patrz pkt 2) tak, aby prąd iC,T1 był obserwowany z tym samym zwrotem, co prąd lampy ifl (względem pętli taktu 2: C1 – L – T1). Nie zmieniać żadnych innych ustawień.

i) Pobrać i zapisać zestaw 3 przebiegów {iC,T1, uinv, ifl} obserwowany na oscyloskopie.

j) Koniecznie wyłączyć odwracanie przebiegu na kanale sondy prądowej (INV).

k) Odłączyć sondę prądową od układu i wyłączyć ją.



10. Zaobserwować przebieg napięcia na lampie:

a) Usunąć przebieg prądu lampy ifl z ekranu [patrz pkt 8.a)].

b) Wyłączyć zasilanie układu.

c) Powtórnie dołączyć do kanału 1 sondę napięciową.

d) Na kanale, do którego przyłączona była sonda prądowa, ponownie ustawić identyczne wzmocnienie, co na drugim z kanałów. Poziomy zera powinny pozostać ustawione na środku ekranu.

e) Sondy napięciowe przyłączyć do układu:

� masy obu sond – do punktu Z,

� końcówkę gorącą sondy z kanału 1 – do punktu H,

� końcówkę gorącą sondy z kanału 2 – do punktu F.

f) Załączyć zasilanie układu.

g) Ustawić poziom wyzwalania na najwyższy, przy którym oscyloskop się jeszcze wyzwala [patrz pkt 8.c), przy czym może być konieczne zmniejszenie tego poziomu w stosunku do obecnej nastawy].

h) Odwrócić przebieg napięcia uFZ (INV).

i) Włączyć funkcję sumy ADD (przyciski DUAL i CH II wciśnięte jednocześnie). Pomyślne wykonanie tej czynności zostanie zasygnalizowane na ekranie znakiem „+” między opisami kanałów Y1 i Y2. W przeciwnym razie należy najpierw wyłączyć omyłkowo włączoną inną funkcję, a następnie spróbować wcisnąć wskazane przyciski jeszcze raz.

Widoczny na oscyloskopie przebieg powstał przez dodanie do napięcia uHZ odwróconego napięcia uFZ:

flHFFHFZHZFZHZ )( uuvvuuuu ==−=−=−+ (4.1)

Mierzymy więc obecnie napięcie na lampie ufl.

j) Pobrać i zapisać przebieg ufl widoczny na ekranie oscyloskopu.

k) Koniecznie wyłączyć obie funkcje ADD i INV.

11. Wyłączyć zasilanie układu i odłączyć go (wtyczkę dodatkowego przedłużacza) od sieci.

Pomiary C 4 ◆ 41


4.3. Działanie prostownika

1. * Wyłączyć z obwodu transformator separacyjny poprzez przełączenie obu przełączników z tyłu obudowy w pozycję I.

Uwaga!

W tej chwili nie należy włączać układu (dodatkowego przedłużacza) do sieci.

Od tego momentu należy zachować szczególną ostrożność, gdyż układ nie będzie izolowany od sieci! Dotknięcie któregokolwiek z metalowych punktów spowoduje porażenie napięciem o wartości powyżej 300 V!

2. * Przystosować układ do jednoczesnego pomiaru napięcia i prądu wejściowego:

a) Odłączyć obie sondy napięciowe od układu. Sondę z kanału 2 odłączyć od oscyloskopu.

b) Przełożyć 2 końcówki pomiarowe do gniazd A i B (pozostawiając końcówkę z gniazda Z na miejscu).

c) Na oscyloskopie ustawić synchronizację napięciem sieci (TRIG. MODE: „~”).

Przed wykonaniem kolejnego podpunktu, poprawność połączeń musi sprawdzić prowadzący!

d) Włączyć układ (dodatkowy przedłużacz) do sieci i załączyć zasilanie.

Używając testera fazy w następnym podpunkcie, należy go trzymać wyłącznie za plastikowy korpus i w żadnym wypadku nie dotykać metalowych elektrod na bokach korpusu!

e) Za pomocą testera fazy stwierdzić, które z gniazd A czy B połączone jest z przewodem fazowym. (Wykrycie napięcia fazowego jest sygnalizowane przez zapalenie się czerwonej diody.)

f) Wyłączyć zasilanie układu.

g) Masę sondy napięciowej przyłączyć do bolca przewodu ochronnego (PE) w przedłużaczu – poprzez dostępny w laboratorium krótki przewód z końcówką krokodylkową o większym rozwarciu niż końcówka masy sondy. Końcówkę gorącą sondy przyłączyć do punktu, w którym wykryto napięcie fazowe. W ten sposób mierzone będzie napięcie wejściowe ui.

h) Do kanału 2 oscyloskopu przyłączyć sondę prądową i włączyć ją. W razie potrzeby – jeżeli przebieg nie znajduje się obecnie na poziomie zera kanału 2 – powtórzyć jej konfigurację zgodnie z dodatkową instrukcją.

3. * Zarejestrować przebiegi w prostowniku wejściowym:

a) Załączyć zasilanie układu.

b) Dostosować podstawę czasu do częstotliwości napięcia sieci tak, aby obserwować 3–5 jego okresów.

c) Sondę prądową zapiąć wokół przewodu iK wyprowadzonego z tyłu układu tak, by chwilowy zwrot mierzonego prądu wejściowego ii = iK pozostawał w zgodzie z chwilowym zwrotem napięcia wejściowego ui:

� jeżeli fazę wykryto w punkcie A, a więc zwrot napięcia ui jest zgodny z rys. 13, to sondę prądową należy założyć również zgodnie ze zwrotem iK na rys. 13 i na obudowie układu;

� jeżeli fazę wykryto w punkcie B, to sondę prądową należy założyć odwrotnie.

d) Dostosować wzmocnienie obu kanałów oscyloskopu do obserwowanej amplitudy przebiegów. Położenie poziomów zera powinno pozostać ustawione na środku ekranu.



e) Jeżeli prąd widoczny jest ze znakiem przeciwnym niż napięcie danego półokresu, oznacza to, że sondę prądową włączono przeciwnie do napięcia wejściowego i należy zmienić kierunek jej włączenia.

f) Pobrać i zapisać widoczne na oscyloskopie przebiegi napięcia i prądu wejściowego {ui, ii}.

g) Wyłączyć zasilanie układu i odłączyć go (dodatkowy przedłużacz, nie wtyczkę) od sieci.

4. * Zbadać skutki zwiększenia pojemności filtru C6 obserwowane na wejściu układu:

a) Równolegle do obecnego kondensatora C6 o wartości 2,2 µF, a więc między wyprowadzenia punktów Z i C, włączyć dodatkowy kondensator wskazany przez prowadzącego. Zwrócić uwagę na poprawną polaryzację zgodnie ze znakiem „−” na obudowie kondensatora i ze schematem układu (rys. 13).

Przed wykonaniem kolejnego punktu sposób włączenia kondensatora musi skontrolować prowadzący!

b) Włączyć układ do sieci i załączyć zasilanie.

c) Zamrozić przebiegi na ekranie – przycisk HOLD. Wyłączyć zasilanie.

d) Pobrać i zapisać widoczne na oscyloskopie przebiegi napięcia i prądu wejściowego {ui, ii}.

e) Koniecznie odmrozić przebiegi – przycisk HOLD.

f) Odłączyć sondę prądową od układu i wyłączyć ją. Odłączyć sondę prądową od oscyloskopu.

g) Włączyć w obwód transformator separacyjny przełączając oba przełączniki z tyłu obudowy w pozycję II.

5. * Zbadać skutki zwiększenia pojemności filtru obserwowane na wyjściu prostownika:

a) Sondę napięciową przełączyć tak, by mierzyła napięcie ud.

b) Wyświetlić wyłącznie przebieg z kanału 1 (CH I).

c) Załączyć zasilanie układu.

d) Zamrozić przebieg na ekranie (HOLD). Wyłączyć zasilanie.

e) Pobrać i zapisać obserwowany przebieg napięcia ud.

f) Koniecznie odmrozić ekran (HOLD).

6. * Odłączyć układ od sieci.

Niekompletne wykonanie następnego punktu grozi porażeniem ładunkiem zgromadzonym w kondensatorze!

7. * Przełożyć sondę napięciową dokładnie na nóżki dodatkowego kondensatora i stwierdzić, czy na pewno jest on już rozładowany (na oscyloskopie przebieg stały na poziomie zera odpowiedniego kanału wskazywanym przez znacznik). Jeżeli tak – odłączyć kondensator od układu. W przeciwnym razie lub w razie wątpliwości poprosić o pomoc prowadzącego.


D

Wyniki

5. Opracowanie i analiza wyników

5.1. Badany układ jako wielostopniowy przekształtnik elektroniczny

1. Na podstawie rys. 5 i opisu w par. 4.1 sporządzić schemat blokowy badanego układu. Obecność transformatora separacyjnego pominąć, gdyż spełniał on wyłącznie rolę bezpieczeństwa i nie występuje w rzeczywistych układach.

2. Opierając się na oscylogramach zarejestrowanych w pkt. 4.2/7–9, wyznaczyć podstawowe parametry przebiegów w charakterystycznych punktach układu:

Do wyznaczania wartości napięć, prądów i czasów należy wykorzystać program SP107 i dostępne tam kursory. Wartości napięć w miejscach wskazywanych przez kursory są podawane w ramce Cursor w wierszach CH I i CH II. W kolumnie CI-CII podawana jest różnica wartości między kursorem 1 a 2. Poniżej, w polach dt i 1/dt podawana jest długość odcinka czasu między kursorami oraz odwrotność tej długości. Aby poruszać się po przebiegach z pamięci oscyloskopu – Ref I i Ref II – należy zaznaczyć pole Ref.

Oscyloskop (o ile został poprawnie skonfigurowany) poprawnie uwzględniał współczynnik przetwarzania prąd-napięcie sondy prądowej [patrz pkt 4.2/9.c)]. W związku z tym wartości z przebiegów prądów można odczytywać bezpośrednio – wartość odczytana kursorem będzie natężeniem prądu w amperach.

a) na wejściu prostownika ui (zestaw przebiegów zarejestrowany w pkt. 4.2/7, por. rys. 12b):

� kształt (do jakiego typowego jest najbliższy, jakie są ewentualne odkształcenia),

� amplitudę (wartość maksymalną) Ui(m),

� częstotliwość fi;

b) na wyjściu filtru prostownika ud (zestaw przebiegów zarejestrowany w pkt. 4.2/7, por. rys. 12b):

� kształt (jak wyżej),

� wartość średnią wyprostowaną Ud(av), za którą można w przybliżeniu uznać średnią z wartości szczytu ud(pk) i doliny ud(val),

44 ◆ D 5 Przyrządy i układy mocy – Ćwiczenie 5B. Tranzystory BJT (4.6.2)


� częstotliwość tętnienia fd,

� wartość międzyszczytową tętnienia Ud(pp);

c) wewnątrz falownika uinv = uCE,T2 (zestaw przebiegów zarejestrowany w pkt. 4.2/8, por. rys. 7):

� kształt,

� amplitudę (poziom wysoki) Uinv(m),

� częstotliwość finv;

d) na wyjściu falownika io = ifl = iH − iG (zestaw przebiegów zarejestrowany w pkt. 4.2/9, por. rys. 7):

Dokładnie rzecz biorąc, wielkością wyjściową falownika jest prąd przekątnej mostka iH. Z zasady działania układu wiadomo jednak, że po zapłonie lampy prąd iG ma wartość dużo mniejszą od prądu lampy ifl i nie ma on znaczenia funkcjonalnego. Kluczowe znaczenie ma natomiast prąd lampy ifl. Uzasadnia to rozpatrywanie właśnie prądu lampy jako wielkości wyjściowej. Mówiąc ściśle, stanowi on wielkość wyjściową statecznika (a więc wszystkiego, co otacza lampę), a nie falownika.

� kształt,

� amplitudę (wartość maksymalną) Io(m),

� częstotliwość fo.

3. Wszystkie wyniki z pkt. 2 nanieść na schemat blokowy z pkt. 1.

4. Na podstawie schematu z naniesionymi parametrami, wykazać, że zbadany układ jest przekształtnikiem wielostopniowym (patrz par. 2.3.b).

Opracowanie i analiza wyników D 5 ◆ 45


5.2. Praca tranzystorów w falowniku półmostkowym

1. W programie SP107 otworzyć plik zawierający przebieg napięcia kolektor-emiter tranzystora T2 uCE,T2, zapisany w pkt. 4.2/8. Za pomocą kursora wyznaczyć wartość szczytową tego napięcia uCE,T2(pk).

2. W programie SP107 otworzyć plik zawierający przebieg prądu kolektora tranzystora T1 iC,T1, zapisany w pkt. 4.2/9. Za pomocą kursora wyznaczyć wartość szczytową tego prądu iC,T1(pk).

3. Korzystając z załączonej karty katalogowej tranzystora 13001 przeanalizować, w jaki sposób projektant statecznika dobrał ten tranzystor do swojego układu:

Jak wynika z zasady działania układu, oba tranzystory pracują w prawie identycznych warunkach. Dlatego można przeanalizować jedne parametry wyznaczone dla tranzystora T1, a inne – dla T2.

a) Porównać roboczą wartość szczytową napięcia kolektor-emiter uCE,T2(pk) – wyznaczoną w pkt. 1 – ze znamionową wytrzymałością napięciową; oszacować występujący margines bezpieczeństwa. Zwrócić uwagę na wybór odpowiedniego z dwóch parametrów znamionowych (patrz instrukcja 5A, par. 2.3).

Jak widać na rys. 13, w badanym układzie między bazą a emiterem tranzystora T1 występuje wyłącznie rezystor oraz cewka, która w stanie ustalonym ma zerową impedancję (stanowi zwarcie). W przypadku tranzystora T2 występuje wprawdzie dodatkowy, szeregowy kondensator, który może działać jak rozwarcie; jednak w czasie, gdy tranzystor jest wyłączany lub wyłączony, wymuszane jest ujemne napięcie baza-emiter, co powoduje, że przewodzi (stanowi zwarcie) dioda D5.

b) Porównać roboczą wartość szczytową prądu kolektora iC,T1(pk) – wyznaczoną w pkt. 2 – z ciągłym prądem znamionowym; obliczyć występujący margines bezpieczeństwa.

c) Na diagramie obszaru bezpiecznej pracy podanym w karcie katalogowej zlokalizować i zaznaczyć skrajne punkty pracy tranzystora w stanach statycznych: szczytowy prąd w stanie przewodzenia iC,T1(pk) i szczytowe napięcie w stanie blokowania uCE,T2(pk). (Spadek potencjału w stanie przewodzenia oraz prąd upływu w stanie blokowania nie są znane – należy przyjąć, że są zaniedbywalnie małe.) Stwierdzić, czy punkty te mieszczą się w granicach obszaru bezpiecznej pracy.

d) Z charakterystyki wzmocnienia prądowego βF podanej w karcie katalogowej (jako hFE) odczytać, ile w przybliżeniu wynosi to wzmocnienie dla badanego tranzystora przy szczytowym prądzie kolektora iC,T1(pk) (przyjąć niższy ze spadków potencjału UCE = 1,5 V). Obliczyć przybliżoną wartość prądu bazy IB, jaką musi zapewniać transformator w badanym układzie, aby poprawnie wysterować tranzystory.

4. W ofercie sprzedawców przyrządów półprzewodnikowych wyszukać po jednym, możliwie najtańszym tranzystorze każdego typu: BJT, MOSFET i IGBT, o parametrach zbliżonych do tranzystora 13001 (napięcie znamionowe – zgodnie z instrukcją 5A, par. 2.3; prąd znamionowy). Wydrukować lub zapisać obraz stron internetowych z danymi znalezionych tranzystorów.

Możliwe, że niektóre parametry będą musiały mieć wartości większe niż dla tranzystora 13001, nie mogą być jednak znacząco mniejsze, gdyż tranzystor taki nie nadawałby się na ewentualny zamiennik. Ogólnie należy w pierwszej kolejności kierować się kryterium zbliżonej wytrzymałości prądowej, a następnie nie mniejszej wytrzymałości napięciowej.

Określić relacje cenowe między wyszukanymi tranzystorami. Czy wynik uzasadnia obecność tranzystorów BJT w układach elektroniki mocy mimo istnienia nowocześniejszych tranzystorów posiadających niewątpliwe zalety (MOSFET, IGBT)?



5.3. Badany układ jako statecznik lampy fluorescencyjnej

Uruchomienie programu Scilab

1. Uruchomić pakiet do obliczeń numerycznych Scilab.

2. Wczytać skrypt zawierający potrzebne funkcje obliczeniowe, wpisując polecenie

exec('ścieżka_dostępu_do_skryptu\cw5b.sce');

gdzie ścieżka_dostępu_do_skryptu jest ścieżką dostępu do pliku cw5b.sce.

3. Aby w dalszym ciągu pracy nie wpisywać za każdym razem pełnej ścieżki dostępu do plików z danymi pomiarowymi (pliki z programu SP107), można zmienić katalog roboczy na katalog zawierający te pliki, wpisując polecenie

cd('ścieżka_dostępu_folderu_pomiarów');

Wyznaczenie i analiza parametrów

4. Na podstawie przebiegu prądu lampy ifl, obliczyć wartość skuteczną Ifl(rms), szczytową Ifl(pk) i współczynnik szczytu kci tego prądu:

a) w programie SP107 otworzyć plik zawierający przebieg prądu ifl (zestaw przebiegów zapisany w pkt. 4.2/9);

b) zapisać dane do pliku tekstowego – menu Data � Save, zapis w formacie Table (*.tab);

c) w programie Scilab wczytać wyniki z zapisanego pliku TAB do macierzy naglowek i dane, wpisując komendę:

[naglowek,dane]=wczytaj_sp107('nazwa_pliku.tab');

d) wyświetlić nagłówek pliku wpisując

naglowek

i stwierdzić, która kolumna macierzy dane zawiera wartości czasu, a która – prądu lampy ifl (odnieść oznaczenia do przebiegów obserwowanych w oknie programu SP107, notatek z pomiarów lub opisu konfiguracji kanałów oscyloskopu z pkt. 4.2/9);

e) obliczyć wartość skuteczną prądu lampy Ifl(rms) wpisując:

xrmsAC_f1(dane,nr_kol_t,nr_kol_ifl,ki,fo)

gdzie nr_kol_t – numer kolumny zawierającej wartości czasu, nr_kol_ifl – numer kolumny zawierającej wartości prądu lampy ifl, ki – współczynnik przetwarzania sondy prądowej (ponieważ został już uwzględniony na oscyloskopie, należy wpisać 1), fo – częstotliwość prądu lampy wyznaczona w pkt. 5.1/2.d);

f) obliczyć wartość szczytową prądu lampy Ifl(pk) wpisując:

xpkAV(dane,nr_kol_ifl,ki)

g) obliczyć z definicji współczynnik szczytu prądu lampy kci (patrz par. 2.2.b).

Obliczenia w programie Scilab będą jeszcze kontynuowane w pkt. 5.4/1.

5. W programie SP107 otworzyć plik zawierający przebieg napięcia na lampie ufl, zapisany w pkt. 4.2/10. Za pomocą kursora wyznaczyć wartość szczytową tego napięcia ufl(pk).



6. Opierając się na wynikach uzyskanych w pkt. 4, 5 i 5.1/2.d), ocenić, czy układ spełnia poprawnie swoją rolę stabilizatora lampy (patrz par. 2.2.b) pod kątem:

a) ograniczenia prądu lampy Ifl(rms) do wartości optymalnej zgodnie z regułą inżynierską (użyć danych lampy podanych w par. 4.1, a za wartość napięcia na załączonej lampie Uon przyjąć wartość szczytową ufl(pk));

b) kształtu prądu lampy (opisanego za pomocą współczynnika szczytu kci) pod kątem maksymalizacji jej czasu działania;

c) częstotliwości pracy.



5.4. Prostownik i kompatybilność elektromagnetyczna

1. * Na podstawie przebiegów napięcia sieci ui i prądu pobieranego z sieci ii, zarejestrowanych w pkt. 4.3/3–4 dla dwóch wartości kondensatora filtru prostownika C6, opisać liczbowo oddziaływanie prostownika wejściowego na sieć energetyczną:

a) w programie SP107 otworzyć kolejno każdy z dwóch plików, które zawierają przebiegi napięcia ui i prądu ii, i zapisać go do pliku tekstowego – menu Data � Save, zapisać jako Table (*.tab);

b) wczytać wyniki z pierwszego zapisanego pliku TAB do macierzy naglowek i dane, wpisując komendę:

[naglowek,dane]=wczytaj_sp107('nazwa pliku.tab');

c) wyświetlić nagłówek pliku wpisując

naglowek

i przez porównanie numerów kanałów z przebiegami widocznymi w programie SP107 stwierdzić, która kolumna macierzy dane zawiera wartości czasu, która – napięcia, a która – prądu;

d) wyznaczyć widmo prądu pobieranego z sieci i współczynnik zniekształceń harmonicznych tego prądu dhi, wpisując:

dhi=widmo_ii_en(dane,nr_kol_t,nr_kol_ii,ki,pnom)

gdzie:

� nr_kol_t i nr_kol_ii oznaczają numery kolumn zawierających odpowiednio wartości czasu i prądu,

� ki jest współczynnikiem przetwarzania sondy prądowej [patrz pkt 5.3/4.e)],

� Pnom jest mocą znamionową lampy (patrz par. 4.1);

Powyższa funkcja zwróci wartość współczynnika zniekształceń harmonicznych dhi oraz wyświetli obraz widma prądu (niebieskie prążki) wraz z granicą (górną) wynikającą z odpowiedniej normy kompatybilności elektromagnetycznej (linia czerwona). Obraz widma należy zapisać do pliku graficznego (menu File � Export, zaleca się format PNG);

e) wyznaczyć współczynnik mocy układu λ i kąt przesunięcia fazowego między składowymi podstawowymi napięcia i prądu φ1, wpisując:

[lambda,phi1]=lambda_phi(dane,nr_kol_t,nr_kol_ui,nr_kol_ii,ki)

gdzie nr_kol_ui oznacza numer kolumny zawierającej wartości napięcia, a pozostałe parametry mają znaczenie i wartości jak w ppkt. d);

f) powtórzyć ppkt. b)–e) dla drugiego pliku.

2. * W programie SP107, z przebiegów napięcia ud zarejestrowanych w pkt. 4.2/7 i 4.3/4.g), dla dwóch wartości kondensatora filtru prostownika C6, odczytać wartości szczytu i doliny. Następnie na ich podstawie obliczyć współczynnik tętnienia napięcia wyjściowego prostownika ruo w każdym z dwóch przypadków (patrz par. 3.1.c).

3. * Wyniki liczbowe uzyskane w pkt. 1–2 zebrać w tabeli.

4. * W oparciu o wyniki z tabeli stwierdzić:

a) jak zwiększenie pojemności kondensatora wpłynęło na współczynnik tętnienia napięcia wyjściowego prostownika ruo;



b) jak zwiększenie pojemności kondensatora wpłynęło na emisję harmonicznych prądu i wynikające stąd spełnienie wymagań norm kompatybilności elektromagnetycznej;

c) czy wymagania niskiego poziomu tętnienia na wyjściu i niskiej zawartości harmonicznych na wejściu są zgodne czy sprzeczne.

5. * Na podstawie oscylogramu napięcia sieci ui stwierdzić, czy zachodzą warunki, w których występuje związek (3.24) [zob. par. 3.3.b]. W oparciu o wyniki z tabeli sprawdzić, czy zależność ta faktycznie zachodziła w badanym układzie. Obliczone z tej zależności wartości współczynnika dodać do tabeli wyników oznaczając je przez λ′.


E

Informacje

6. Oczekiwana zawartość sprawozdania

� Schemat blokowy badanego układu z naniesionymi parametrami przebiegów w kluczowych punktach, oscylogramy, na podstawie których ustalono te parametry, oraz analiza wyników, zgodnie z par. 5.1

� Szczytowe wartości napięcia i prądu głównego tranzystorów oraz oscylogramy przebiegów, na podstawie których ustalono te wartości, zgodnie z pkt. 5.2/1–2 (tj. wartości uCE,T2(pk) i iC,T1(pk))

� Wartości znamionowe napięcia i prądu głównego odczytane z karty katalogowej badanego tranzystora, porównane z wyznaczonymi wartościami roboczymi, zgodnie z pkt. 5.2/3.a)–b)

� Diagram obszaru bezpiecznej pracy badanego tranzystora z naniesionymi skrajnymi punktami pracy wraz z analizą, zgodnie z pkt. 5.2/3.c) (tj. diagram z karty katalogowej z zaznaczonym punktem pracy w stanie załączenia i punktem pracy w stanie wyłączenia)

� Przybliżona wartość wzmocnienia prądowego badanego tranzystora przy zarejestrowanej wartości szczytowej prądu kolektora i obliczony na tej podstawie wymagany prąd bazy, zgodnie z pkt. 5.2/3.d)

� Symbole, ceny i parametry wyszukanych tranzystorów różnych typów wraz z analizą pod kątem zastosowań tranzystora BJT, oraz wydruk lub obraz stron internetowych z danymi źródłowymi, zgodnie z pkt. 5.2/4 (tj. dane dla 1 tranzystora BJT, 1 tranzystora MOSFET i 1 tranzystora IGBT o parametrach odpowiednich do zastosowania w badanym układzie)

� Wartości napięcia i prądu lampy fluorescencyjnej oraz oscylogramy przebiegów, na podstawie których ustalono te wartości, a także obliczona wartość współczynnika szczytu prądu lampy, zgodnie z pkt. 5.3/4–5 (tj. wartości Ifl(rms), Ifl(pk), kci, ufl(pk))

� Analiza jakości działania badanego układu jako statecznika lampy, zgodnie z pkt. 5.3/6

� * Tabela wyników zgodnie z pkt. 5.4/3 i 5, wykresy widma prądu wejściowego otrzymane w pkt. 5.4/1, oraz oscylogramy przebiegów, na podstawie których uzyskano

52 ◆ E 7 Przyrządy i układy mocy – Ćwiczenie 5B. Tranzystory BJT (4.6.2)


te wyniki, podpisane wartościami kondensatora filtru (tj. wartości C6, dhi, λ, φ1, λ′ i oscylogramy dla dwóch wartości kondensatora C6)

� * Analiza wpływu wartości kondensatora C6 na działanie układu, zgodnie z pkt. 5.4/4

� * Obliczenia dowodzące spełnienia (bądź niespełnienia) zależności łączącej współczynnik mocy i współczynnik zniekształceń harmonicznych przy sinusoidalnym napięciu, zgodnie z pkt. 5.4/5

7. Wymagana wiedza

7.1. Przygotowanie do wykonywania ćwiczenia

� Schemat i ogólna zasada działania elektronicznego półmostkowego statecznika lampy fluorescencyjnej (zob. par. 2.3)

7.2. Zakres kolokwium

1. Zalety i wady tranzystorów BJT w odniesieniu do elektroniki mocy. Współczesne obszary zastosowań. (zob. par. 2.1, sprawozdanie)

2. Elektroniczny półmostkowy statecznik niskociśnieniowej lampy fluorescencyjnej: schemat blokowy (bez bloków opcjonalnych), przebiegi charakterystycznych napięć lub prądów w kluczowych punktach układu, wady statecznika magnetycznego i zalety stateczników elektronicznych. (zob. par. 2.2, 2.3, sprawozdanie)

3. Falownik półmostkowy zasilany napięciowo: uproszczony schemat elektryczny, droga przepływu prądu wyjściowego w dwóch taktach pracy; przebieg potencjału na środku gałęzi aktywnej, prądu wyjściowego (lampy) i prądów kluczy półprzewodnikowych. Obwód rezonansowy: składniki (po zapłonie lampy) i spełniana funkcja; inna funkcja dławika. (zob. par. 2.3, sprawozdanie)

4. Jednofazowy prostownik diodowy w konfiguracji mostka Graetza: schemat elektryczny, klucze przewodzące i nie przewodzące w zależności od polaryzacji napięcia wejściowego; przebieg napięcia i prądu wejściowego oraz napięcia wyjściowego bez kondensatora i z kondensatorem. (zob. par. 3.2, 3.3)

8. Literatura

[1] Power Semiconductor Applications. Philips Semiconductors, 1994.

Literatura E 8 ◆ 53


[2] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1998. ISBN 83-204-2223-X.

Documents

LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW I UKŁADÓW MOCYneo.dmcs.p.lodz.pl/pium/instrukcje_arch/pium_5b_4-6-2.pdf · gdzie Ipk – wartość szczytowa prądu, Irms – wartość skuteczna prądu