LU11 - Polovodičový usměrňovač

Pomůcky

• Systém ISES, modul: voltmetr, jednocestný a dvoucestný usměrňovač na destičkách,
• sada rezistorů, digitální multimetr (např. M3900), 6 spojovacích vodičů, 2 krokosvorky,
• soubor: usmer.imc.

Úkoly

1. Zobrazení pulzního napětí na jednocestném usměrňovači, filtrace kondenzátory.
2. Zobrazení pulzního napětí na dvoucestném usměrňovači, filtrace kondenzátorem.
3. Zobrazení napětí při různé zátěži dvoucestného usměrňovače, zvlnění napětí.
4. Porovnání amplitudy napětí s napětím, které měří digitální voltmetr.

Teorie

Jednocestný usměrňovač s jednou polovodičovou diodou (viz obr. 1) propouští proud jen v kladných „půlvlnách“. Na rezistoru naměříme voltmetrem ISES pulzující napětí. Jeho průběh se vyhladí zapojením jednoho, případně dvou filtračních kondenzátorů.

Dvoucestný usměrňovač (Graetzův můstek – obr. 2) se čtyřmi diodami usměrňuje v každé půlvlně. Filtrační kondenzátor opět zmenší zvlnění napětí.

Při zatížení usměrňovače odběrem většího proudu klesá výstupní napětí a roste jeho zvlnění. Zvlněním napětí DU se míní rozdíl mezi maximální a minimální hodnotou.

Nastavení:
usmer.imc: čas 2 s, 1000 Hz, start automatický, kanál E sinus pulsy (0 V, 5 V, 5 Hz), panel č.1 – graf U=f(t) napětí U od –5 V do +5 V, panel č.2 - graf – výstupní napětí U=f(t) od –5 V do +5 V.

1. úkol

Na modulu voltmetr nastavíme rozsah 10 V s nulou uprostřed a zasuneme do kanálu A. Zapojíme obvod podle obr. 1, jako zdroj napětí použijeme výstupní kanál E.

Učitelský počítač musí být spuštěný. Poklepáním na „Software G“ si zpřístupníme potřebný soubor a spustíme ISES. Založíme nový experiment a načteme do konfigurace „usmer.imc“.

Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!

Úkolem je provést měření výstupního napětí na jednocestném usměrňovači nejprve bez filtračního kondenzátoru. Spustíme měření. V dolním okně je průběh vstupního napětí, které můžeme přesunout do horního okna. Uvidíme, že záporné půlvlny dioda nepropouští a kladné půlvlny jsou nižší o úbytek napětí na diodě. Červenými šipkami nahradíme experiment, znovu provedeme měření. Poté zaměníme vodiče ve zdířkách zdroje a pomocí ikony „Přidat měření“ přidáme do stejného grafu další měření. Co se změnilo? Vysvětlete.

Provedeme „Nahrazení experimentu“ , spustíme měření a k němu „Přidání měření“ do stejného grafu s jedním filtračním kondenzátorem a se dvěma paralelně zapojenými filtračními kondenzátory. Výsledek měření by měl vypadat takto:

Lupou si zvětšíme část grafu u konce měření. Do tabulky č. 1 určíme maximální napětí U_m bez filtrace, maximální napětí U_m1 s jedním filtračním kondenzátorem a maximální napětí U_m2 se dvěma kondenzátory. Určíme zvlnění ΔU₁ a ΔU₂ a také relativní zvlnění .

2., 3. úkol

Použijeme dvoucestný usměrňovač (obr. 2), ke kterému se postupně připojují různé zatěžovací rezistory. Úkolem je provést měření výstupního napětí nejprve bez filtračního kondenzátoru s externím rezistorem o odporu 1 kΩ, (určíme U_m). Pak přidáme do stejného grafu průběh napětí s filtračním kondenzátorem a rezistorem 1 kΩ (určíme U_m1, ΔU₂ a ), rezistorem 10 kΩ a 100 Ω. Do tabulky č. 2 určíme potřebné hodnoty.

4. úkol

Digitální multimetr přepneme na stejnosměrný voltmetr (DCV 20) a připojíme paralelně k voltmetru ISES. Externí bude 1 kΩ, filtraci odpojíme. Frekvenci výstupního napětí upravíme na 50 Hz a dobu měření na 5 s. Výstupní napětí dvoucestného usměrňovače bez filtračního kondenzátoru budeme tedy současně měřit voltmetrem ISES a digitálním voltmetrem. Do tabulky č. 3 budeme porovnávat napětí U_DCV z digitálního voltmetru s amplitudou napětí U_m měřenou z obrazovky a jejich poměr. Měření provedeme pro 7 různě nastavených hodnot napětí.

Zkrácená verze

• Na modulu voltmetr nastavíme rozsah 10 V s nulou uprostřed a zasuneme do kanálu A. Zapojíme obvod podle obr. 1, jako zdroj napětí použijeme výstupní kanál E.
• Poklepáním na „Software G“ si zpřístupníme potřebný soubor a spustíme ISES.
• Založíme nový experiment a do konfigurace načteme usmer.imc.
• Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!
• Provedeme měření napětí na jednocestném usměrňovači bez filtrace a složíme oba grafy do jednoho. Nahradíme měření, zaměníme polaritu zdroje a do stejného grafu přidáme další měření. Posoudíme rozdíly.
• Určíme maximální napětí U_m bez filtrace, do tabulky č. 1. Maximální napětí U_m1, U_m2, s jedním a se dvěma filtračními kondenzátory, zvlnění a relativní zvlnění.

• Zapojíme dvoucestný usměrňovač se zatěžovacím odporem 1 kΩ bez filtrace a určíme U_m.
• Připojíme filtrační kondenzátor a změříme amplitudu a zvlnění (tabulka č. 2) pro zatěžovací odpory 1 kΩ , 10 kΩ , 100 Ω.

• Digitální voltmetr (rozsah 20 V stejnosměrný) připojíme paralelně k voltmetru ISES.
• Frekvenci výstupního napětí upravíme na 50 Hz a dobu měření na 5 s.
• Provedeme měření na dvoucestném usměrňovači bez filtračního kondenzátoru.
• Do tabulky č. 3 zapisujeme napětí U_DCV z digitálního voltmetru a amplitudu napětí U_m měřenou z obrazovky. Nastavíme 7 různých hodnot napětí.

Protokol

Název: Polovodičový usměrňovač
Pomůcky:
Teorie:
Vypracování:
Maximální napětí bez filtrace:   U_m = . , . . . V

Tabulka č. 1: Jednocestný usměrňovač s filtrací

	Umi V	ΔUi V
1 filtr. kondenzátor	. , . . .	. , . . .	. .
2 filtr. kondenzátory	. , . . .	. , . . .	. .

Maximální napětí bez filtrace s odporem 1 kΩ: U_m = . , . . . V

Tabulka č. 2: Dvoucestný usměrňovač s filtrací

R kΩ	Umi V	ΔUi V
1	. , . . .	. , . . .	. .
10	. , . . .	. , . . .	.
0,1	. , . . .	. , . . .	. .

Tabulka č. 3: Porovnání amplitudy dvoucestně usměrněného napětí bez filtrace se stejnosměrným digitálním multimetrem

Um V	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
UDCV V	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .
UDCV Um	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .	. , . .

Závěr:
Popíšeme a vysvětlíme, jak se změní výstupní napětí jednocestného usměrňovače při záměně polarity zdroje. Okomentujeme amplitudu napětí a zvlnění při filtraci jedním (200 μF) a dvěma (400 μF) kondenzátory.

Okomentujeme amplitudu napětí a zvlnění, při filtraci dvoucestným usměrňovačem, v závislosti na zatěžovacím odporu.

Na základě tabulky č. 3 učiníme hypotézu o tom, jak vypočítat amplitudu dvoucestně usměrněného napětí bez filtrace ze znalosti napětí měřeného stejnosměrným digitálním voltmetrem.

Výsledky

Maximální napětí bez filtrace:   U_m = 3,910 V

Tabulka č. 1: Jednocestný usměrňovač s filtrací

	Umi V	ΔUi V
1 filtr. kondenzátor	3,267	0,927	28
2 filtr. kondenzátory	3,117	0,489	16

Maximální napětí bez filtrace s odporem 1 kΩ: U_m = 3,171 V

Tabulka č. 2: Dvoucestný usměrňovač s filtrací

R kΩ	Umi V	ΔUi V
1	2,665	0,412	15
10	3,286	<0,001	<0,3
0,1	1,308	0,857	66

Tabulka č. 3: Porovnání amplitudy dvoucestně usměrněného napětí bez filtrace se stejnosměrným digitálním multimetrem

Um V	3,199	2,794	2,327	1,917	1,548	1,088	0,661
UDCV V	1,93	1,65	1,36	1,11	0,86	0,61	0,38
UDCV Um	0,60	0,59	0,58	0,58	0,56	0,56	0,58

Závěr:

Ukázky měřicích obrazovek

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 21.7.2014