ЭПУ_5 (Методические указания по выполнению лабораторных работ), страница 2

для инвертирующего стабилизатора (рис.3,в)

,

где β – коэффициент передачи от выхода стабилизатора к схеме сравнения (коэффициент передачи потенциометра R1 на схеме установки, см. далее на рис. 5), Sг – крутизна временной зависимости выходного напряжения ГЛИН (генератора линейно-изменяющегося напряжения в схеме на рис. 5), T – период переключения регулирующего транзистора. Произведение SгT определяет амплитуду выходного напряжения ГЛИН, задающего частоту переключения транзистора.

Стабилизирующие свойства при изменении сопротивления нагрузки оцениваются выходным сопротивлением Rвых, определяемым по наклону внешней характеристики стабилизатора:

Rвых =  Uн/Iн (Rн = var). (5)

При вычислении коэффициента полезного действия стабилизатора, определяемого как отношение мощности на выходе (в нагрузке стабилизатора) Pн к мощности, поступающей на вход стабилизатора Pвх, удобно мощность Pвх представить в виде суммы Pн и мощности потерь на элементах схемы стабилизатора Pпот.

.

Суммарную мощность потерь можно разложить по компонентам на потери мощности в транзисторе PТ, диоде P_Д, дросселе Pдр и на элементах схемы управления (ИЭН, УС, УПТ, ГЭ) Pупр:

Pпот = P_Т + P_Д + Pдр + Pупр.

Потери в дросселе определяются очевидным соотношением Pдр = Iн²rдр, где Iн – действующее значение тока в нагрузке, rдр – сопротивление обмотки. Мощность, рассеиваемая в коллекторной цепи транзистора, различна в разные отрезки времени P_Т = Pнас +Pотс + Pτ , где Pнас = UнасIнγ – мощность, определяемая потерями в режиме насыщения, γ = τ /Т, отношение длительности импульса коллекторного тока транзистора τ, к периоду их следования Т, Pотс = UвхIотс(1–γ) – мощность, определяемая потерями в режиме отсечки коллекторного тока, Pτ = 0.5 UвхIн (τвкл + τвыкл)/T – мощность, определяемая энергией, выделяющейся на коллекторе транзистора, когда он находится в активной области, т. е. в промежутки времени τвкл – время перехода из области отсечки в область насыщения и τвыкл – время перехода из области насыщения в область отсечки.

Каждый из рассмотренных компонентов может быть сделан относительно небольшим – выбором провода для обмотки дросселя, выбором транзистора с малым обратным током и малым падением напряжения в области насыщения (в настоящее время разработаны МДП-транзисторы с Uнас составляющим доли вольта). Наибольший вклад в PТ вносят потери во время переключения Pτ. Снижение этой мощности может быть достигнуто двумя способами – снижением рабочей частоты (частоты переключения) или уменьшением времени переключения транзистора. В первом случае потребуется большая индуктивность дросселя, так как в течение большого отрезка времени (t₁…t₂ на диаграммах рис. 2) дроссель поставляет энергию в нагрузку. Для уменьшения времени переключения требуется использовать в стабилизаторе высокочастотные транзисторы. Здесь необходимо иметь в виду, что у мощных высокочастотных биполярных транзисторов из-за явления вторичного пробоя существует нижняя частота их возможного использования. Поэтому мощные СВЧ транзисторы при использовании их в стабилизаторах будут выходить из строя при рассеиваемых на них мощностях на порядок меньше предельных.

Учитывая, что мощность, рассеиваемая на диоде имеет один порядок с P_Т, а мощность, потребляемая в цепях управления, как правило существенно меньше мощности в нагрузке, получаем качественное подтверждение высокого КПД импульсного стабилизатора.

Резистивные сопротивления элементов схем влияют не только на величину КПД, но оказывают существенное влияние и на ход регулировочных характеристик преобразователей, определяемых выражениями (1), (2) и (3). Следствием является изменение пределов изменения выходного напряжения устройства, как в режиме преобразования напряжения, так и в режиме стабилизации. Для примера на рис. 5 приведены регулировочные характеристики инвертирующего преобразователя при учете конечных значений сопротивлений элементов схемы, определяемые выражением:

Uн = Uвхγ (1–γ)/[( 1–γ)² + r₀], (6)

г
де r₀ = R₀/Rн, R₀ = rдр + Rнас = rдр + Rпр , rдр –сопротивление дросселя, Rнас – сопротивление транзистора в режиме насыщения, Rпр – сопротивление открытого диода (принято Rнас = Rпр), Rн – сопротивление нагрузки.

Приведенное выражение и графики характеризуют и нагрузочные свойства преобразователя. Напряжение на нагрузке в режиме близком к холостому ходу и выходное сопротивление преобразователя определяются выражениями:

Uн.х = Uвхγ / (1–γ), Rвых = R₀ / (1–γ)².

При тех же допущениях можно получить соотношения для постоянной составляющей коллекторного тока регулирующего транзистора и КПД преобразователя

Iк = Uвх γ / [(1–γ)² Rн + R₀],  = 1/ [1 + r₀ (1 – γ)²].

Аналогичные показатели для преобразователя с понижением напряжения имеют вид:

Uн = Uвхγ / (1+ r₀), Uн.х = Uвхγ, Rвых = R₀,

Iк = Uвх γ² (Rн + R₀),  = 1/ (1 + r₀)].

Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд состоит из исследуемого устройства, универсального мультиметра и встроенного блока питания.

Схема исследуемого стабилизатора приведена на рис. 6. В работе исследуются две схемы преобразователей и импульсных стабилизаторов на их основе, реализующие эквивалентные схемы на рис. 4,а и рис. 4,в: стабилизатор с понижением напряжения (переключатель S2 в положении "1") и инвертирующий стабилизатор (переключатель S2 в положении "2").

Управление регулирующим транзистором VT1 (через согласующее устройство – СУ) осуществляется компаратором. На неинвертирующий вход компаратора напряжение поступает или от генератора с линейноизменяющимся напряжением (ГЛИН), обеспечивая режим регулирования с ШИМ, (переключатель S1 в положении "1"), или от источника опорного напряжения E_оп1 при переходе в релейный режим (переключатель S1 в положении "2"). На инвертирующий вход компаратора через потенциометр R1 поступает напряжение или с выхода устройства (переключатель S3 в положении "2"), обеспечивая режим стабилизации, или от источника опорного напряжения E_оп2 (переключатель S3 в положении "1") в режиме регулирования выходного напряжения конвертора. Частота переключения ГЛИН может изменяться в пределах от 1 до 20 кГц.

Предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа для просмотра временных диаграмм управляющего напряжения (выходного напряжения компаратора), коллекторного тока регулирующего транзистора, тока дросселя, тока диода и напряжений на дросселе, диоде, на участке коллектор-эмиттер транзистора и на выходе устройства.

В макете установлена защита от перегрузки, которая через компаратор приводит к дополнительной модуляции коллекторного тока регулирующего транзистора, ограничивая его величину на уровне 350 мА. Внешне срабатывание схемы защиты проявляется в нарушении периодичности управляющего напряжения. Для выхода из этого режима необходимо устранить причину перегрузки.

Наименования измеряемых мультиметром величин и их значения выводятся на жидкокристаллический дисплей, расположенный в правом верхнем углу передней панели. Под дисплеем расположены кнопки управления выводимой информацией. Для удобства работы в первой строке дисплея при установке номера пункта программы работы по данному руководству (кнопка "№ пункта") выводится величина параметра, изменяемого в данном пункте работы. На дисплей выводятся постоянные составляющие напряжения регулирования (Uр), входного напряжения (Uвх), напряжения на нагрузке (Uн), тока в нагрузке (Iн) и коллекторного тока регулирующего транзистора (Iк).

Программа выполнения работы

Ознакомиться с расположением органов управления стендом и включить его.

1. Исследование преобразователя постоянного напряжения понижающего типа.

Переключатели установить в следующие положения: S1  1, S2 – 1, S3  1, частота переключения ГЛИН – F = 10 кГц, входное напряжение Uвх = 12– 15 В.

1. Установить потенциометр R1 в среднее положение, сопротивление нагрузки Rн – в положение 6...8. Зарисовать временные диаграммы, характеризующие работу преобразователя.

Установить частоту ГЛИН F = 1 кГц. Изменением сопротивления нагрузки добиться колебательного характера при нарастании коллекторного тока транзистора (положение 2...3). Наблюдать изменение формы коллекторного тока транзистора и тока дросселя при изменении частоты переключения ГЛИН в пределах от 1 до 20 кГц.

Восстановить: F = 10 кГц, Rн – положение 6...8. Измерить входное напряжение Uвх, напряжение на нагрузке Uн, постоянную составляющую коллекторного тока Iк, ток в цепи нагрузки Iн. Вычислить коэффициент полезного действия преобразователя.

1. Потенциометром R1 установить γ в пределах от 0.4 до 0.7. Снять регулировочные характеристики преобразователя, т. е. зависимости напряжения на нагрузке, длительности τ импульсов коллекторного тока, относительной длительности γ = τ/T и постоянной составляющей коллекторного тока Iк от регулирующего напряжения: Uн, τ, γ, Iк = f(Uрег), при постоянном сопротивлении нагрузки Rн (положение 6...8).

2. Снять нагрузочные характеристики преобразователя: Uн, τ, γ, Iк = f(Iн) при изменении сопротивления нагрузки. Потенциометром R1 установить относительную длительность импульсов коллекторного тока γ в пределах от 0,3 до 0,8. По построенным графикам определить выходное сопротивление преобразователя (5).

1. Исследование преобразователя постоянного напряжения инвертирующего типа.

Установить переключатели в следующие положения: S1  1, S2 – 2, S3  1; входное напряжение Uвх = 13 – 15 В, частоту переключения ГЛИН – 10 кГц.

1. Установить, сопротивление нагрузки (положение 3...8) и относительную длительность импульсов коллекторного тока γ (потенциометром R1) такими, чтобы постоянная составляющая коллекторного тока не превышала 350 мА. Зарисовать временные диаграммы, характеризующие работу преобразователя.

2. Снять регулировочные характеристики преобразователя:
   Uн, τ, γ, Iк = f(Uрег), при постоянном сопротивлении нагрузки (положение 2) и минимальном входном напряжении.

3. Установить максимальное сопротивление нагрузки (положение 1) и относительную длительность импульсов коллекторного тока γ в пределах от 0.3 до 0.5. Снять нагрузочные характеристики преобразователя:
   Uн, τ, , Iк = f(Iн) при изменении сопротивления нагрузки. По построенным графикам определить выходное сопротивление преобразователя

1. Исследование импульсного стабилизатора постоянного напряжения понижающего типа в режиме ШИМ.

Переключатели установить в следующие положения: S1  1, S2 – 1, S3  2, частота переключения ГЛИН – F = 10 кГц. Потенциометр R1 – среднее положение.

1. При постоянном сопротивлении нагрузки (Rн в положении 6...8) снять зависимость напряжения на нагрузке Uн, длительности импульсов коллекторного тока τ и относительной длительности γ = τ/T от входного напряжения: Uн, τ, γ = f(Uвх). По графикам определить коэффициент стабилизации (4) при минимальном, среднем и максимальном значениях входного напряжения.

2. Снять нагрузочные характеристики стабилизатора: Uн, τ, γ = f(Iн) при Rн = var, Uвх = 13 – 15 В. По построенным графикам определить выходное сопротивление стабилизатора.

1. Исследование импульсного стабилизатора постоянного напряжения инвертирующего типа в режиме ШИМ.

Переключатели установить в следующие положения: S1  1, S2 – 2, S3  2, частота переключения ГЛИН – F = 10 кГц. Потенциометр R1 – среднее положение

1. При постоянном сопротивлении нагрузки (Rн в положении 6...8) снять зависимость напряжения на нагрузке Uн, длительности импульсов коллекторного тока τ и относительной длительности γ = τ/T от входного напряжения: Uн, τ, γ = f(Uвх). По графикам определить коэффициент стабилизации.

2. Снять нагрузочные характеристики стабилизатора: Uн, τ, γ = f(Iн) при Rн = var, Uвх = 13 – 15 В. По построенным графикам определить выходное сопротивление стабилизатора.

1. Исследование импульсного стабилизатора постоянного напряжения понижающего типа в релейном режиме.

Переключатели установить в следующие положения: S1  2, S2 – 1, S3  2, потенциометр R1 – в среднее положение.