Rapport TFE4100 Lab 5 Likeretter Eirik Strand Herman Sundklak Gruppe 107 Lab utført: 08.november 2012 Rapport generert: 30. november 2012
Likeretter
Sammendrag Denne rapporten er et sammendrag av laboratorieøvingen i Kretsteknikk utført 08. november 2012. Øvingen omfatter oppkobling av en enkel krets med en spenningskilde og en diode i serie, og en kondensator og lastmotstand i paralell. Spenningskilden genererte en sinusspenning med vinkelfart 2π t. Vi noterte rippelspenningen for 4 forskjellige verdier av R L for å se hvordan den vart påvirket V ut rippel Vi kom frem til at dess høyere verdi vi hadde på R L dess lavere rippelspenning fikk vi. Dett kom spessielt fram i den siste målingen med 500kΩ-motstanden der V ut rippel var så liten at den ikke kunne sees på ocilloscopet.spennigsfallet over dioden var også lett å se, hvor amplituden på V Z og V INN var ganske tett opp til hverandre, men den lille differansen viser bare at dioden ikke er ideell. Når det ble brukt lave verdier på rl ville kondensatoren utladest fort pga den lave motstanden som skulle til for at den blie utladet.
Innhold 1 Innledning 1 2 Teori 2 2.1 Gennerelt............................... 2 2.2 Dioder og kondensatorer....................... 2 2.3 Rippelspenning............................ 2 2.4 Utføring av forhåndsoppgaver................... 3 3 utstyrsliste 5 4 Eksperimentelt 6 4.1 Måleresultater............................ 7 4.2 Diskusjon............................... 12 4.3 Feilkilder............................... 12 4.4 Konklusjon.............................. 12 Referanser 13
1 Innledning Formål: Introdusere en enkel krets for omforming av vekselspenning til likespenning. Ved måling og analyse klargjøre en likeretters virkemåte [1]. I denne rapporten blir det tatt for seg lab oppgave 5 i faget Kretsteknikk TFE 4100 fra høsten 2012. Denne oppgaven går ut på å se på hvordan en likeretter fungerer. Likerettere brukes for å omgjøre vekselspenning og vekselstrøm til likespenning og likestrøm. Dette gjør det mulig å bruke vekselspennings og vekselstrømkilder til elektronikk som er avhengig av likespenning og strøm I denne oppgaven blir det brukt en halvbølgelikeretter, en likeretter som bare fungerer på halve spenningen, da dioden sperrer for en spenning mindre enn terskelspenningen til dioden. For å oppnå fullstendig utnyttelse av inngangsspenningen og inngangsstrømmen vil man vanligvis bruke en likeretterbro som består av fire dioder satt slik at positiv eller negativverdi på inngangsspenningen ikke vil ha noe å si. I denne oppgaven blir det brukt et oscilloskop for å foreta målinger over en lastmotstand, som representer en eventuell annen elektrisk komponent avhengig av likespenning og strøm. Koblet parallelt med lastmotstanden er en kondensator koblet i serie med en motstand. Kondensatoren er der for at det skal kunne gå ann å se på hva som skjer når dioden sperrer, altså når spenningen over dioden er mindre enn en terskelspenning. Kondensatoren vil bli ladet opp når det går strøm igjennom dioden og vil utlade over lastmotstanden når dioden sperrer. Lastmotstanden blir variert for å se hvilken effekt dette har på utladningen av spenning fra kondensatoren over den. I
2 Teori 2.1 Gennerelt I denne oppgaven blir det sett på en halvbølgelikeretter som består av en vekselspenningskilde koblet i serie med en diode som er koblet si serie med en kondensator og motstand som igjen er parallellkoblet med en lastmotstand. På grunn av en diodes egenskaper vil dette bety at kun en inngangsspenning fra vekselspenningskilden med en verdi større en terskelspenning for dioden vil gjøre at det går strøm igjennom dioden. På grunn av dette vil halvbølgelikeretteren fungere for kun halve inngangsspenningen. 2.2 Dioder og kondensatorer En diode er en komponent som er avhengig av en viss spenning for å lede strøm, vi antar for denne oppgaven at vi bruker den ideelle diodemodellen, altså at dioden enten fungerer som en kortslutning, eller fungerer som en åpen krets. Dette vil man se hvis man kobler opp kretsen i oppgaven uten å koble til kondensatoren, da vil spenning og strømmen over lastmotstanden være lik 0 for enhver spenning under terskelspenningen til dioden. I en kondensator er strømmen igjennom den bestemt ved: I=C (1) Strømmen igjennom kondensatoren er avhengig av endringen i spenning igjennom den multiplisert med en konstant C. Det er ikke mulig med et sprang i strøm, dvs. en endring i spenning over 0 tid, dette betyr at det vil ta en viss mengde tid både å lade opp og utlade kondensatoren. For motstandene gjelder Ohms lov: V=R*I. spenningsfallet over motstanden er lik verdien til motstanden multiplisert med strømmen igjennom den. Dette brukes i denne oppgaven til å måle strømmen i kondensatoren pga. at strømmen gjennom motstanden i serie med kondensatoren er lik som strømmen i igjennom kondensatoren. Dette pga. Kirchoffs strømlov som sier at strømmen inn i en node er lik strømmen ut av en node. Vi kombinerer denne kunnskapen sammen med Ohms lov til å finnestrømmen ved først å bruke oscilloskopet til å måle spenningen over motstanden for så å bruke Ohms lov til å regne ut strømmen igjennom motstanden og dermed også strømmen igjennom kondensatoren. 2.3 Rippelspenning Rippelspenning er en liten uønsket variasjon i spenningen fra en DC-strømkilde som opprinnelig får spenning fra en AC-kilde. Rippenspenningen er avhengig av metoden som blir brukt for å likerette strømmen og derfor en god indikator på hvor god og effektiv likeretteren er. Du finner rippelspenningen ved å se på variasjonen i V ut. Differansen mellom den største og den minste spenningen er det vi kaller for V c -rippel. II
2.4 Utføring av forha ndsoppgaver Følgende opplysninger var gitt i oppgaven: C=220 nf R1=10Ω Diode=Si-diode:1N4448 Som tidligere nevnt benyttes R1 for a ma le strømmen igjennom kondensatoren ved hjelp av oscilloskopet, Spenningen leveres fra en vekselspenningsgenerator med en indre motstand oppgitt til a være 50Ω. Spenningen er oppgitt til a være 5 volt, der 5 volt er generatorens effektverdi. Spenningen som genereres er en vekselspenning med sinusform. I oppgaveteksten er spenningen oppgitt pa formen: der ω = 2πf. Fra en tidligere laboppgave har vi sammenhengen. Bruker denne sammenhengen til a regne ut amplituden A. A=7.07 V. Frekvensen er oppgitt til a være f=1khz. I oppgaven skulle man bruke fire forskjellig lastmotstander mellom 3kΩ og 1M. Vi brukte motstander med styrke 3kΩ, 50kΩ, 100kΩ og 500kΩ. Det er ogsa definert to tidskonstanter for oppgaven: τ1 =RC<< T og τ2 =Rl C>>T T = 1/f = 1/1kHz Figur 2.4.1: Strømmen og spenningen over kondensatoren III
3 utstyrsliste Multimeter LG DM-441B Serienummer GR3423 Signalgenerator GW Instek GFG-8250A Serienummer B3-232 Oscilloskop Tektronix TDS2014 Serienummer G040260 Krets Lab-kort Øving 5 Diverse Banankabeler, kretskortsokkel, prober og loddeutstyr IV
4 Eksperimentelt Målingene er foretatt ved hjelp av utsturet som nevnt i utstyrslisten. Vi ant amplituden til signalspenningen ved hjelp av multimeteret. Kretsen ble koblet opp som vist i??. Med dei gitte komponentverdiene. Den likerettede spenningen, rippelen og strømmen gjennom kondensatoren ble målt med oscilloskopet. i c ble målt overr I ogv c -rippel ble målt over last motstanden. For å endre verdier R L byttet vi den bare ut med en annen verdi. For å måle rippel ble ocilloscopet satt i stilling AC, og likespenningsleddet vart fjernet. For å skissere spenningene V G, V c ogv c -rippel ble det lagt et tynt ark over oscilloskop skjermen og risset av. Figur 4.0.2: Kretsen V
4.1 Måleresultater 3kΩ I c 5.10mA V c 4.6V V c -rippel 2.8V Figur 4.1.4: strømmen gjennom kondensator VI
50kΩ I c 1.60mA V c 4.6V V c -rippel 0.46 Figur 4.1.5: strømmen og spenningen gjennom kondensator VII
100kΩ I c 1.00mA V c 4.6V V c -rippel 0.17V Figur 4.1.6: strømmen og spenningen gjennom kondensator VIII
500kΩ I c 0.40A V c 4.6V V c -rippel N/A Figur 4.1.7: strømmen og spenningen gjennom kondensatoren IX
4.2 Diskusjon Forsøkes som ble gjort tyder på at når RL blir større og større, så vil dette redusere rippelen grunnet at tidskonstanten for kondensatoren er avhengig av ekvivalentmotstanden til kretsen, denne vil jo nødvendigvis øke når RL øker, noe som vil gjøre at kondensatoren utlades saktere. Dette ser vi grafisk med at vi etter hvert får problemer med å måle rippelen for høye verdier av RL. 4.3 Feilkilder I denne oppgaven er det flere feilkilder knyttet til de ulike komponentene vi loddet inn i kretsen og som vi brukte til å måle de ulike resultatene. Det er vanskelig å lese av oscilloskopet helt nøyaktig, da det er vanskelig å bruke de innebygde funksjonene til å lese av for eks. amplituder på spenning helt nøyaktig. Dette kan ha gjort at vi sendte inn en feil inngangsspenning og at vi målte for eks. feil VC eller feil spenning over R1. Kondensatoren kan ha en viss feilmargin på den oppgitte C-verdien. Vi har ikke noe datablad over denne, så dette er bare en antagelse vi har. Motstandene har som regel en viss feilmargin på oppgitt verdi, dette vil gjøre at vi for eks. vil få en litt annerledes verdi på strømmen igjennom kondensatoren, grunnet at vi delte spenningen over motstanden koblet i serie med kondensatoren på det vi antok var verdien til motstanden. Denne feilen vil likevel ikke ha stor betydning på de konklusjoner vi kan trekke av resultatene, siden feilen vil jo nødvendigvis gå igjen i alle målinger av strøm over kondensatoren. 4.4 Konklusjon Det har blitt komt frem til at R L bestemmer hvor mye rippel enn har i utgangsspenningen. Ved hjelp av skisseringene av I c er det også tydelig at det nesten ikke går noe strøm gjennom kondensatoren når R L er stor. Det kan derved konkluderes med at det er blitt konstruert en velykket likeretter for komponenter med høy indre motstand. X
Referanser [1] Lab hefte TFE4100 Kjetil Svarstad, Thomas Tybell, 2012, side51 Powered by LATEX XI