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Netzgleichrichter 1
Aufgabenstellung
·
Dimensionierung einer M1-Gleichrichterschaltung für:
UDCn = 10V
IDCn = 1,2A
UBRss = 10% von UDCn
ohne Berücksichtigung des Trafoinnenwiderstands RCU und
UD.
· Messung der tatsächlich auftretenden Werte von îD, uSEC und uC (uL), jeweils unbelastet und mit Nennlast. Eventuell Messung des Einschaltspitzenstroms.
1 Mathematische Behandlung
Die M1-Schaltung wurde laut der theoretischen Behandlung dimensioniert. Die Kondensatortoleranz wurde mit +25/-10 % angenommen, einem durchaus üblichen Wert.
Die Diode muß also mindestens einen Dauerstrom IDCn von 1,2 A und einen IFRM von 40 A sowie ein URRM vom 2·Ö2·UDCn = 28,3 Volt verkraften.
Für einen Strom IDCn bei UDCn wird ein RL von 8,33 W benötigt.
Der Trafo muß einen Dauerstrom von 1,2 A und einen Spitzenstrom von 40A verkraften.
2 Messungen
2.1 Vorbereitungen
Die Tastköpfe des Oszilloskops wurden vor der Messung abgeglichen und die Triggerung auf LINE geschaltet, da nur mit der Netzfrequenz gearbeitet wurde.
Der Kupferwiderstand des Trafos beträgt 5W.
2.2 Schaltung:
2.3 Meßaufbau
Da keine normale Diode mit den geforderten Kennwerten vorhanden war, wurde eine aus dem im Labortisch eingebauten Gleichrichter verwendet, wobei die Leitungen an + bzw. ~ angeschlossen wurden, da hier die Diode garantiert richtig gepolt ist (wäre an - nicht der Fall)
Desweiteren wurden von jedem Kondensator zum Verbraucher bzw. zur Diode extra Leitungen verlegt, um die Spannungsverluste bei den relativ großen Strömen durch eine Parallelschaltung der Leitungswiderstände zu verringern.
Folgende Anordnung sollte auf jeden Fall vermieden werden:
2.4 Messung von uSEC, uL und îD mit den errechneten Werten für ûsec
1. Vor dem Anschalten der Last wurde mit dem Oszilloskop (P1) die Spannung ûSEC auf die berechneten 10,5 Volt geregelt (Ablesung auf Kanal 1)
2. Nun wurde die Last angeschaltet (noch ohne Rm) und folgendes Signalbild aufgenommen (noch ohne die rote Stromkurve):
3. Danach wurde mit der Formel R = r·l/A
die Länge eines Drahtes aus Kupfer (r
= 0,0178 Wmm2/m
mit A = 0,75 mm2) mit 10 mW
berechnet (42 cm) und etwas größer zugeschnitten. Mit einem
Milliohmmeter wurde er auf 20 mW
abgeglichen (4-Leiter-Meßtechnik) und als Rm eingebaut.
Kanal 2 des Oszilloskops wurde nun an die in der Schaltung mit CHx
bezeichnete Stelle angeschlossen, invertiert, und die rote Stromkurve (im
obenstehenden Diagramm) abgelesen, die Masse wurde an GNDx angehängt.
Die Werte von uSEC und uL blieben trotz des
geringen Spannungsabfalls an Um unverändert
4. 5. Abgelesene Meßergebnisse:
(Für die Messung von UBRss wurde auf AC umgeschaltet und die Horizontalauflösung erhöht)
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Anordnung |
USECeff [V] (P2) |
ûSEC[V] |
ûDC[V] |
UBRss[V] |
UDC [V] 1 |
îD [A] |
|
1. ohne Last |
7,4 |
10,5 |
10,5 |
0 |
10,5 |
2 |
|
2. mit Last ohne Rm |
7,0 |
7,5 |
6,6 |
0,53 |
6,34 |
2 |
|
3. mit Last mit Rm |
7,0 |
7,5 |
6,6 |
0,53 |
6,34 |
7A 3 |
1 rechnerisch aus den anderen Meßwerten ermittelt UDC = ûDC + 0,5 UBRss
2 nicht gemessen
3 Um = 140 mV und Rm = 20mW · îD
Weiters ist anzumerken, daß der mit P2 gemessene Effektivwert nicht mehr genau ist, da es sich bei dem Signal nicht mehr um einen reinen Sinus handelt.
2.5 Messung von uSEC, uL und îD mit erhöhtem ûsec für gefordertes UDCn
Da der Spannungsabfall an der Diode und an dem Trafoinnenwiderstand sehr groß war, wurde UDCn mit P3 gemessen und die Trafospannung usec solange erhöht, bis ein UDCn von 10 Volt erreicht war. Rm war ständig eingebaut. Danach wurde noch IDC gemessen (P3).
Neues Oszilloskopbild:
Abgelesene Meßergebnisse:
|
Anordnung |
USECeff [V] (P2) |
ûSEC[V] |
ûDC[V] |
UBRss[V] |
UDC [V] |
îD [A] |
IDC [A] |
|
UDCn
nachgeregelt |
2 |
2 |
16,4V |
0 |
16,4 |
2 |
0 |
|
UDCn
nachgeregelt |
2 |
13,4 |
10,42 1 |
0,84 |
10 |
9,75 |
1,34 |
1: rechnerisch aus den anderen Meßwerten ermittelt UDC = ûDC + 0,5 UBRss
2: nicht gemessen
3: Um = 195 mV und Rm = 20mW · îD
3 Interpretation der Meßergebnisse
Dadurch, daß RCU und UD nicht berücksichtigt wurden, lag die gemessene Spannung bei 2.4 stark unter dem geforderten Wert (6,3 statt 10 Volt !). Der Innenwiderstand des Trafos kann also insbesonders bei so geringen Spannungen und hohen Strömen genausowenig wie der Spannungsabfall an der Diode vernachlässigt werden.
Als USEC auf immerhin 50% über den Wert von ûDC geregelt wurde (von 10,5 auf 16,4V) stellte sich erst ein UDC von 10 V ein.
Die Brummspannung war mit 0,84 Volt immer noch besser als der geforderte Wert von max. 1V. Gleichzeitig lag der Diodenspitzenstrom weit unter den theoretischen 35,5 A. Er beträgt mit 10 A gerade ein Drittel.
Zwangsläufig muß die Ladezeit länger sein. Mit 6 ms ist sie ca. 4,5 mal so lange wie berechnet (1,4 ms).
Die Theorie stellt immer eine Worst-Case-Rechnung dar, deren Werte in der Praxis kaum erreicht werden.
