Для студентов РТУ МИРЭА по предмету Электропитающие устройстваЛабораторный практикумЛабораторный практикум 2018-01-12СтудИзба

Книга: Лабораторный практикум

Описание

Описание файла отсутствует

Характеристики книги

Учебное заведение
Просмотров
114
Скачиваний
0
Размер
12,2 Mb

Список файлов

ot_000

Распознанный текст из изображения:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.К. БИТЮКОВ, Ю.А. ВЛАСЮК,

В.А. ПЕТРОВ, Е.И. ФЕДОРОВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

"ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ"

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением Министерства образования Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" направления подготовки дипломированных специалистов "Проектирование и технология электронных средств"

ot_001

Распознанный текст из изображения:

ББК 31.264.5

Ббб

УДК 621.3.087.92

Рецензенты: д.т.н. Г.Г. Спирин, к.т.н. А.А. Бокуняев

Ббб Битюков В.К., Власюк Ю.А., Петров В.А., Федоров Е.И. Лабораторный практикум по дисциплине "Физические основы преобразовательной техники": Учебное пособие / Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). - М., 2003. - 148 с.

1ЯВ1М 5-7339-0180-2

Рассмотрены физика работы и схемотехника построения типовых устройств электропреобразовательной техники. Систематизированы методические аспекты определения и метрологического анализа основных характеристик и параметров устройств электропреобразовательной техники. Предназначено для студентов специальности 200800 Проектирование и технология радиоэлектронных средств при изучении дисциплины "Физические основы преобразовательной техники". Может быть использовано студентами специальностей 071500 Радиофизика и электроника, 200700 Радиотехника и 201600 Радиоэлектронные системы при изучении дисциплин "Энергопреобразовательная электроника", "Электропреобразовательные устройства" и "Электропитание радиоэлектронных систем" и дипломном проектировании.

Табл. 25. Ил. 62. Библиогр.: 13 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

© Битюков В.К.

Власюк Ю.А.

Петров В.А.

Федоров Е.И. 2003

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемой частью радиоэлектронных, компьютерных и телекоммуникационных систем являются источники вторичного электропитания (ИВЭ), представляющие собой совокупность преобразователей электрической энергии одного рода тока в электрическую энергию другого рода тока требуемых параметров и качества. Электропреобразовательные устройства (ЭПУ) в значительной степени определяют эксплуатационные, массогабаритные и энергетические показатели всей системы, а также надежность ее функционирования. Это обуславливает необходимость строгого подхода к разработке, проектированию и реализации соответствующих устройств электропреобразовательной техники.

Источники вторичного электропитания, содержащие ЭПУ, выполняют различные преобразования: выпрямление, фильтрация, инвертирование, стабилизация, защита, управление, сигнализация и так далее.

Улучшение эксплуатационных характеристик ИВЭ, снижение их массы и габаритных размеров достигается выбором их принципа действия, структуры построения, схемы реализации, режима работы, элементной базы и конструкции.

В современных системах широкое применение нашли бесперебойные источники вторичного электропитания (БИП), принцип действия которых сравнительно прост. Он основан на мгновенном подключении резервного источника питания (как первичного, так и вторичного) при аварийном выходе из строя основного. Иными словами в БИП резервируется сравнительно маломощный источник питания, выполненный, как правило, в виде эффективной малогабаритной аккумуляторной батареи и размещаемый внутри самой системы.

В данном учебном пособии рассмотрены физика работы и схемотехника типовых устройств электропреобразовательной техники, используемых в системах различного назначения. Систематизированы методические аспекты определения и метрологического анализа основных характеристик и параметров устройств электропреобразовательной техники.

ot_002

Распознанный текст из изображения:

М.1. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ М.1.1. Нагрузочная характеристика

Нагрузочной (внешней, выходной) характеристикой электропреобразовательного устройства [1...10] называется зависимость его выходного напряжения У„„от тока нагрузки 1„при постоянном входном напряжении Ь',~, то есть

11„, =Я1„) при 11, =сопз1. (М.1)

Для определения нагрузочной характеристики ЭПУ измеряют 10...15 пар значений У„, и 1„. Индекс 1 соответствует теку-

т щему измерению (1 изменяется от 1 до п, где п - число измерений). В табл. М.1 представлен пример результатов измерения У„и 1„при определении нагрузочной характеристики одного из устройств преобразовательной техники.

Таблица М1 Экспериментальные результаты для определения нагрузочной

Переход от экспериментальных точек к аналитической зависимости нагрузочной характеристики (М.1) выполняют разными методами. Наиболее удобным и наглядным является метод наименьших квадратов (МНК).

Вид аналитической зависимости, которой предстоит аппрокси, мирпватп~экспериментальные данные, определаетсл либо физнческимй аспектами исследуемого явления, либо техническим заданием, либо интуитивно выбирается самим исследователем. А метод наименьших квадратов позволяет определить лишь числовые коэффици-

енты при переменных для искомой аналитической зависимости.

Суть МНК состоит в том, что наивероятнейшими значениями коэффицйентов искомой аналитической зависимости будут такие, при которых сумма квадратов отклонений экспериментальных значений функции у, от значений самой функции у, вычисленных по искомой аналитической зависимости, будет наименьшей.

Иначе говоря, на основании п экспериментальных пар у; и х; следует определить т+1 параметр (т+1 - число искомых коэффициентов аналитической зависимости) функции

у =1 (х, аО, а1, ..., а ), (М.2) которая наилучшим образом описывает массив у; и хь то есть МНК требует выполнения условия

и

;). (у; — / (х;, ао, а~, ..., а )) = т1п. (М.З)

г=1

В уравнении (М.З) коэффициенты ао, а1, ..., а являются независимыми переменными. Для их нахождения следует из уравнения (М.З) получить и приравнять к нулю частные производные по каждому из т+1 параметров. Это позволит составить систему из т+1 уравнений с т+1 неизвестными ао, а1, ...,' а

В качестве примера практического применения МНК можно рассмотреть аппроксимацию десяти пар (и=10) экспериментальных точек у; и х; (рис. М.1).

На основании визуального анализа расположения экспериментальных точек, представленных на рис. М.1, в качестве аппроксимирующего уравнения (М.2) выбран полином первой степени

+ а1х' (М.4)

Для каждого значения измеренного аргумента х; вычисляют величину о;, определяемую по формуле

о; = )уу — аΠ— а1х;). (М.5)

Уравнение (М.З) при выборе линейной аппроксимирующей функции (М.4) имеет вид

и п

Х б; = Х (У; — Ио — И1Х;) = ПЛП. (М 6)

2

=1

ot_003

Распознанный текст из изображения:

В соответствии с требованиями МНК после выполнения частного дифференцирования уравнения (М.6) по ао и а~, получа-

ют два уравнения

и

щ0+а,~х,

1=!

л И

= а ~х;+а!~х;

!=! г=!

! М.7)

и

~ х,у,

!=1

! М.8)

с двумя неизвестными ао и а~.

5,2

4,6

!50

Решая систему уравнений (М.7) и (М.8), получают выражения для определения ао и а~

4,0 200 '

!00 1„, мА

Рис. М1. Пример апироксимаиии нагрузочной характеристики

по методу наименьших квадратов

п и

— (~х;) ~у,

п

„> х;у;—

!=1

а~—

~х,

(М.9)

— (~х;)

и

п

и

и п

ао = — (,~ у!. — Йу ~~' к.). !'М.10)

!'=1 !=1

Таким образом, на основании массива экспериментальных данных по уравнениям (М.9) и (М.10) вычисляют коэффициенты ао и а~, что позволяет получить аналитическое выражение уравнения вида (М.4). На рис. М.1 построен и график полученного результата аппроксимации.

В соответствии с изложенным, экспериментальные результаты, приведенные в табл, М.1 и на рис. М.1, целесообразно аппроксимировать полиномом первой степени (М.4). В результате обработки данных, приведенных в табл. М.1, по уравнениям (М.9) и (М.10), получены значения коэффициентов аппроксимации ао и а~, равные ао=6,24 В и а~= -8,95.10 В/мА= -8,95 В/А.

-3

Следовательно, исследуемое ЭПУ имеет следующую нагрузочную характеристику

~У,„„= 6,24- 8,95 10'.1„, (М.11)

которая показана на рис. М.1.

Часто на одном графике строят несколько кривых, причем диапазоны изменения параметров могут не совпадать. Пример построения трех нагрузочных характеристик на одном графике показан на рис. М.2. Масштабы по декартовым координатам выбирают такие, чтобы линия графика имела к ним наклон — 45 градусов. Совсем не обязательно совмещать начало координаты с нулевым значением соответствующей величины. При нанесении на оси координат единиц масштаба следует указывать только округленные значения, а середину отрезка между соседними значениями отмечать выносным штрихом без указания его числового значения. В конце координатной оси указывают обозначение фи-

ot_004

Распознанный текст из изображения:

1„, мА

30

15,0

5,0

14,5

4,9

14,0

200 1„, мА

150

Рис. М2. Иллюстрация построения на одном графике трех на-

грузочных характеристик, имеющих различные диапазоны изме-

нения аргументов

зической величины и ее единица измерения. Каждая серия измерений на графике обозначается индивидуальными значками, на-

»»»»»~»»»> »» — » «А»»О»»»»»»~» >~ ° »»у»

>

> б >

> >

"М", "О", "ф" и так далее. В этом случае визуализация конкретной серии измерений весьма благоприятна. Экспериментальные точки, относящиеся к одной серии измерений, аппроксимируют, например, по методу наименьших квадратов, соответствующей функцией, которая также отображается на графике и для удобства отмечается арабской и/или римской цифрой. Оси координат, в которых построена функция, указываются выносными линиями со стрелками, исходящими их соответствующего графика. С учетом этих требований к оформлению графика и построен рис. М.2.

М.1.2. Внутреннее сопротивление

Внутреннее (выходное, внешнее) сопротивление Я; устройства определяется как модуль производной выходного напряжения С~„„„по току нагрузки 1„при постоянном входном напряжении У„~, то есть

(М.12)

при У, = сопз1

или как модуль отношения соответствующих приращений выходного напряжения и тока нагрузки

~.~~' вых

Я, = '"' при У,„= сопИ, (М.13)

и

где ЛС~„„- изменение выходного напряжения, обусловленное изменением тока нагрузки М„.

Рис. М.З,а иллюстрирует геометрическую интерпретацию внутреннего сопротивления А, гипотетического ЭПУ. В соответствии с определением (см. формулу (М.12)) внутреннее сопротивление численно равно тангенсу угла наклона касательной к нагрузочной характеристике рассматриваемого устройства для выбранного тока нагрузки 1„.

Очевидно, что при линейном характере нагрузочной характеристики (линии 1...3 на рис. М.З,а) внутреннее сопротивление исследуемого устройства не зависит от тока нагрузки и численно равно коэффициенту а~ линейной аппроксимации (уравнение (М.4)) нагрузочной характеристики (рис. М.З,б). Для нагрузочных характеристик 1...3, являющихся линейными функциями, внутреннее сопротивление Я, соответствующих устройств численно равны фаз, фаз и фаз, соответственно. Из рис. М.З,а видно, что внутреннее сопротивление устройства с нагрузочной характеристикой 1 меньше, чем А, устройства с нагрузочной характеристикой 2, а А, устройства с нагрузочной характеристикой 2 меньше, чем А, устройства с нагрузочной характеристикой 3.

Внутреннее сопротивление устройства, имеющего нагру-

ot_005

Распознанный текст из изображения:

10

а)

(б)

зочную характеристику 4, существенно зависит от тока нагрузки, что показано линией 4 на рис. М.З,б. Для точек А, В и С (рис. М.З,а) внутреннее сопротивление устройства, имеющего нагрузочную характеристику 4, численно равно Я, устройств, имеющих нагрузочные характеристики 3, 2 и 1.

~нС нВ 1„,

Рис. МЗ. Иллюстрации геометрической интерпретации внутреннего сопротивления (а) и его зависимости от тока нагрузки

Внутреннее сопротивление стабилизаторов напряжения как

устройств, обеспечивающих постоянство выходного напряжения при изменении тока нагрузки и других дестабилизирующих факторов, должно быть малым, то есть Я, — +О.

Внутреннее сопротивление стабилизаторов тока должно быть большим, то есть Я,. — ~ оо.

М.1.3. Передаточная характеристика

Передаточная характеристика (рис.М.4) устройства представляет зависимость выходного напряжения У„, от его входного напряжения У„при постоянном токе нагрузки 1„, то есть

У,ы =1(~3,„) при 1„= соп51. (М.14)

Рис. М.4. Передаточная характеристика стабилизатора на-

пряжения

Для стабилизаторов напряжения по передаточной характеристике 1рис. М.4) определяют участок стабилизации выходного напряжения, на котором значительным изменениям входного напряжения соответствуют малые изменения выходного напряжения.

М.1.4. Коэффициент стабилизации выходного напряжения по

входному напряжению

Коэффициент стабилизации выходного напряжения по вход-

ot_006

Распознанный текст из изображения:

12

13

ному напряжению (проще "коэффициент стабилизации") К, стабилизатора напряжения показывает во сколько раз относительное изменение входного напряжения ЛУ, /~У„превышает относительное изменение выходного напряжения сК1„,к /С~,ы, при постоянном токе нагрузки 1„, то есть

~~~вк . ~~~вых ~~~вх ~живых

(М. 15)

и

~' вх 1-/вых ~1~-/вык ~/вх

В инженерных расчетах коэффициент стабилизации удобнее вычислять по отношению соответствующих конечных приращений напряжений на входе ЛУвк и выходе ЛУ„„устройства, то

есть

(М.16)

У У

вх вых вых вх

где в качестве У„и С1,ы выбирают номинальные напряжения на входе Ув „и выходе У,ы „устройства, соответственно (рис. М.4).

На практике для определения коэффициента стабилизации К„по передаточной характеристике стабилизатора напряжения определяют участок стабилизации (рис. М.4) и для выбранных номинального значения входного напряжения У,„„и его прира-

щения ЛУ, определяют номинальное значение выходного напряжения У,ы„„и соответствующее ему приращение ЛУ„, (при этом ЛУвх не должно выходить за пределы участка стабилизации). Для стабилизаторов напряжения численное значение коэффициента стабилизации выходного напряжения по входному напряжению К„должно быть как можно больше, то есть Х, ~~о.

М.1.5. Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия и электропреобразовательного устройства определяется как отношение выходной активной мощности Р„п, равной Р„п = Е~,ы,1и, ко входной актив-

ной мощности Р„„равной Р„, = У„1„, то есть

вых 1ОО о, вых и 1ОО р,

вх ~ вх1вх

где 1, - входной ток устройства.

(М.17)

М.1.7. Массогабаритными параметрами ИВЗ являются удельный объем, определяемый по формуле Р, /У~~э и измеряемый в Вт/дм, и удельная масса, определяемая по формуле Р„ /М~~э и

з

измеряемая в Вт/кг, где Р~~~э и М ~э — объем и масса источника вторичного электропитания, соответственно.

М.1.8. Оценка систематических погрешностей измерений

Для экспериментального определения параметров электро- преобразовательных устройств используются стрелочные и цифровые измерительные приборы (ИП), оценка систематических погрешностей которых имеет специфические особенности ~3, 4, 11].

Стрелочные (аналоговые) измерительные приборы характеризуются классом точности у, выраженным одним числом.

Класс точности - это наименьшая относительная погрешность, с которой данным ИП можно выполнить измерение конкретной величины.

По определению класс точности аналоговых измерительных приборов равен

(М.19)

у = 1ОО,%,

в

М.1.6. Коэффициентом пульсации выходного напряжения

Пульсация выходного напряжения Увьп источников вторичного электропитания оценивается коэффициентом пульсации К„определяемым по формуле

выхт1

(1.18)

~вых

где У,„„~ - амплитуда первой гармоники спектра выходного напряжения.

ot_007

Распознанный текст из изображения:

14

где ЛУ - предельная абсолютная допускаемая погрешность

к

конечное значение шкалы ИП, на которой выполнено измерение.

По выражению (М.19) вычисляют предельную абсолютную допускаемую погрешность (при заданных у и ~У,) измерительного прибора

(м.20)

ль'=у и, лоо

(здесь ЛУ выражается в тех же единицах что и г.1 ).

К

Учитывая, что относительная погрешность а определения

значения физической величины 71 равна

ЛЬ'

е = — 100, о~о,

У

(выражается в процентах), то с учетом уравнения (М.19), из соотношения (М.21) получают

(М.21)

(М.22)

8 — е+ гl~ к 1) о/О

г.1,

г.1

(и выражается в процентах).

(М.23)

к о

в =у — ', ',4.

г.1

Из последнего выражения следует, что чем ближе измеряемая величина У к конечному значению шкалы У, измерительного прибора, тем меньше относительная погрешность а определения У. В частности, при У=У, из уравнения (М.22) получают равенство а = у, что является иллюстрацией физического смысла класса точности.

Цифровые измерительные приборы характеризуются классом точности, определяемым двумя числами, которые обозначаются, как правило, с и гг (разделенные косой чертой), например, сЫ (табл. М.2).

Относительная погрешность измерения физической величины г.1 цифровыми измерительными приборами определяется, как правило, формулой

15

Таблица М2 Кдаес точности (с-верхнее чггело, Й-нижнее чггело) цифровых измерительных приборов

Формула (М.23) показывает, что наименьшая относительная погрешность цифровых измерительных приборов численно равна с, определяющим постоянную составляющую погрешности в в.

Зная относительную погрешность измерения а, по формуле

А~1 = а.У/100, (М.24) получаемой из (М.21), определяют абсолютную погрешность ЛУ измерения величины г1. Сама абсолютная погрешность ЛУ измеряется в единицах измерения физической величины г.1. Класс точности измерительного прибора определяется заводом- изготовителем или лабораторией метрологического контроля и указывается либо на шкале прибора, либо в паспорте прибора.

М.1.9. Оформление результатов экспериментальных исследований

При регистрации данных в процессе эксперимента необходимо учитывать следующие метрологические аспекты. Вопервых, надо использовать ту шкалу измерительного прибора, предельное значение которой наиболее близко к измеряемой величине. Во-вторых, записывать все разряды числа, отображаемые на табло измерительного прибора.

Оформляя результаты измерения необходимо обратить внимание на правильную запись количества значащих цифр. Принято округление результата измерения начинать с абсолютной погрешности ЛЬ; где оставляют, как правило, одну значащую циф-

ot_008

Распознанный текст из изображения:

16

ру, после чего измеренную величину ~У округляют до той же значащей цифры, что и ЛУ. Иначе говоря, числа, характеризующие значения измеренной величины С1 и оценку ее абсолютной погрешности ЛУ, должны заканчиваться цифрами одинакового разряда. Например, если абсолютная погрешность равна 0,03 В, то и измеряемая величина должна быть записана 2,78 В. При этом нуль в конце числа является значащим. Запись чисел 5,3; 5,30 и 5,300 показывает, что измерения выполнены с различными абсолютными погрешностями: до десятых долей, до сотых долей и до тысячных долей измеряемой величины, соответственно.

Полезно отметить, что при регистрации результатов измерений иногда необходимо использовать сомножитель 10", где пцелое число. Например, если в результате измерения получено число 37514, в котором всего лишь три значащих цифры, то оно должно быть записано в виде 375 10 . Представление числа

2

37514 в виде 37500 является ошибочным, так как такое представление числа говорит о достоверности определения пяти цифр. А ведь, как отмечено ранее, измерения выполнены при трех достоверных числах.

М.1.10. О единой системе условных графических обозначений

Для правильного и однозначного чтения электрических схем создана единая система условных графических обозначений [12, 131. С 01 января 1971г. введена Единая система конструкторской документации (ЕСКД), составной частью которой являются Государственные стандарты Российской Федерации на условные графические обозначения в схемах и стандарты на правила выполнения схем.

Самые общие сведения о радиоэлектронном средстве содержит структурная схема, на которой указывают основные части РЭС, их назначение и взаимосвязи. На принципиальной электрической схеме все электрорадиоэлементы (компоненты) РЭС изображают в виде стандартных условных графических символов. Функциональная схема занимает промежуточное положение между структурной и принципиальной схемами и совмещает в себе характерные особенности обеих.

17

!1орядковые номера компонентам на схемах присваивают, как правило, в соответствии с последовательносгью расположения однотипных символов в направлении сверху вниз и слева направо. В качестве примера иа рис. М.5 показана нумерация 11 резисгоров, используемых в схеме.

Ю Яб Я9

Я2 Д3 Я5

Я4 ~В Л10

Рис..И. '. 1!риякр ~ц'лнрацни разпспгоров

Обозначение компонента на принципиальной электрической схеме расиолагаюз справа от него или сверху.

Систематизированная информация об условных графических обозначениях в радиотехнике приведена в [12, 13~.

М.1.11. Особенность измерения выпрямленных токов и напряжений переменной амплитуды

При исследовании характеристик и параметров управляемо~о выпрямителя выполняют измерения выпрямленных токов и напряжений переменной амплитуды. Лабораторный стенд содержит два всгроенных >лектроизмерительных прибора: миллиамиерметр М5-5 и вольгметр М4230. Они являются приборами магнитоэлектричсской системы, которые, как правило, используются для измерения постоянных гоков и напряжений [11]. В лабораторной работе необходимо измерять выпрямленные токи и напряжения переменной амплитуды, изменяющиеся с частотой 50 Гц. Возможность использования для этой цели приборов магнитоэлектрической системы обусловлена тем, что подвижная часть магнитоэлсктрических приборов уже при частотах около 20 Гц из-за ее инерционности не успевает следить за непрерывным изменением вращающегося момента при протекании через нее быстроменяющегося тока и реагирует на среднее значение врагцающегося момента. Поэтому встроенные в лабораторный стенд

ot_009

Распознанный текст из изображения:

приборы магнитоэлектрической системы измеряют средние за

период Тток 1,.„= 10 и напряжение У,,„= ~УО..

1.,= О=ТУ'

о

где ~ и и-мгновенные ток и напряжение.

Использование цифровых измерительных приборов позволяет повысить точность измерений, однако нужно помнить, что не все приборы для таких измерений пригодны. Цифровые вольтметры и амперметры мгновенного значения, работающие в режиме измерений постоянного тока или напряжения, могут давать значения тока и напряжения в различные моменты от начала периода при получении команды или стартового импульса начала измерений, что приведет к неверным регулировочным и нагрузочным характеристикам. Большинство используемых в настоящее время отечественных и зарубежных цифровых вольтметров и амперметров (мультиметров) при измерении переменного тока и напряжения, как правило, дают действующие значения этих величин только в случае синусоидальной формы сигнала. В связи с тем, что форма напряжения и тока на выходе выпрямителя несинусоидальная, и к тому же она меняется при изменении угла управления, показания таких приборов могут значительно отличаться от действующих значений. Лишь современные цифровые вольтметры и амперметры, измеряющие истинные действующие значсния, не зависящие от формы сигнала (приборы, измеряющие Тгце КМЯ величину сигнала, или действительное среднее квадратическое значение), могут дать правильные результаты. Тгце КМЯ=Тгце Коо1 Меап Бс1паге или по-русски "действительное среднее квадратическое". В современных мультиметрах это осуществляется с помощью преобразователя действующего значения переменного напряжения любой формы в эквивалентное по тепловому действию напряжение постоянного тока. Такой преобразователь обычно представляет собой вставляемую в прибор отдельную плату, которая осуществляет это преобразование с помощью аналогового вычислителя.

Необходимо также иметь в виду, что существуют два вида

19

цифровых приборов, измеряющих действительное действующее значение переменного напряжения или тока. Приборы первого вида (к ним, в частности, относятся ручные малогабаритные мультиметры моделей 110, 112, 175, 177, 179, 85, 87 и настольный мультиметр модели 8842А фирмы Нц1се, настольные мультиметры моделей 197А, 2001 и 2010 фирмы КейЫеу 1пз1гцтепЬ, настольный мультиметр модели 34401А фирмы Ар1еп1) в режиме измерения переменного напряжения или тока измеряют действительное действующее переменное напряжение или ток (~'Ас, „,„,, или 1Ас,„„„км,) при любой форме сигнала без учета постоянной составляющей:

~~ т (~ Т

АС (гие КМЯ ~( й ",4С АС оие КМЯ ~,~ АС

О Ч о

Однако часто бывают ситуации, когда необходимо знать действительное действующее значение переменного напряжения или тока, имеющих большую постоянную составляющую, то есть знать Г, „, „„,, или 14с, с, „,, — так называемые полные действующие значения напряжения или тока (То1а1 отце КМЯ):

~ ~т 4г Т

и о

В этих формулах С'~с и 1 „- постоянные составляющие на-

пряжения и тока, а МАс и г4с - зависящие от времени составляющие. Для определения полного действующего значения напряжения или тока с переменной составляющей произвольной формы с помощью цифровых приборов, измеряющих действительное действующее значение переменного тока или напряжения нужно выполнить два измерения: одно измерение (Р„с„„„, или 14 „„„, )

в режиме измерения переменного напряжения или тока, и другое измерение (У или У ) в режиме измерения постоянного напряжения или тока. Тогда полные действующие значения могут быть рассчитаны по формулам:

Тоеи4 4гиеКМК 4' 1ЭС АС Ггие КМЯ Тоео44гиеКМК "~ ЙС АС Ггие ЯМБ '

Некоторые современные цифровые мультиметры позволяют сразу за одно измерение определять полное действительное дей-

ot_010

Распознанный текст из изображения:

20

21

Стабилизаторы напряжения

Параметрические

стабилизаторы

напряжения

Компенсационные

стабилизаторы

напряжения

КСН с импульсным

регулированием

КСН с непрерывным

регулированием

ШИМ ЧИМ ДПМ

Параллельное

включение РЭ

и нагрузки

Последовательное

включение РЭ

и нагрузки

ствующее значение переменного тока и напряжения. К ним относятся ручные малогабаритные мультиметры моделей 187 и 189 и настольный мультиметр модели 45 фирмы Г1ц1се, цифровой осциллограф-мультиметр б9 фирмы БАТАТ, мультиметр модсли 3458А фирмы Ар1еп1 и другие. Режим измерений полного действительного действующего значения в таких приборах может устанавливаться по-разному. Например. в мультиметрах моделей 187 и 189 для установления этого режима есть специальные кнопки „...А.Г и ..-„~,Т, в мультиметре модели 45 нужно нажать одновременно две кнопки Г==- и Г-, или 1= и 1-, в осциллографе-мультиметре 09 такие измерения проводятся в режиме измерения постоянного напряжения и тока 1' и 1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Хе1

ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ,

ПОСТРОЕННЫЙ ПО '1'РАДИЦИОННОЙ СХЕМЕ

1.1. Цель работы

Изучение принципа действия и схемотехники серийного стабилизированного низковольтного источника вторичного электропитания, реализующего традиционную схему построения ИВЭ, а также )кспериментальное исследование его основных характеристик и параметров.

1.2. Предварительная подготовка

1.2.1. По литературным источникам„например 11...10), ознакомьтесь с принципом построения источников вторичного электропитания, обратив внимание на выпрямительные устройства, параметрические стабилизаторы напряжения (ЛСН) и компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН). Ниже даются эти принципы в кратком изложении.

Для стабилизации напряжения питания РЭС применяют стабилизаторы напряжения (СН) постоянного и переменного тока. Классификация СН показана на рис. 1.1. По принципу построения стабилизаторы напряжения разделяются на параметрические, где регулирование осуществляется по параметру полупроводникового

прибора„и компенсационные., где регулирование выполняется по принципу компенсации любых дестабилизаций, возникающих на выходе КСН, то есть используется отрицательная обратная связь ЛООС). Ло временному режиму работы регулирующего элемента ~РЭ) компенсационного стабилизатора последние подразделяются на компенсационные стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием (КСН с НР) и компенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным регулированием (КСН с ИР).

Рис. 1.1. Клаееификащия стабилизаторов напряжения

В КСН с НР рабочая точка регулирующего транзистора находится на линейном участке ОС коллекторной характеристики регулирующего транзистора (рис. 1.2). Поэтому иногда КСН с НР называют линейным стабилизатором напряжения.

На рис. 1.2 приняты следующие обозначения: 1„. - коллек-

ot_011

Распознанный текст из изображения:

22

торный ток, 1,„„с- коллекторный ток в режиме насыщения, 1,- коллекторный ток в режиме отсечки, равный тепловому току 1,в транзистора, Е, - напряжение питания, г.1„, - падение напряжения на транзисторе (напряжение между коллектором и эмиттером), У ... - падение напряжения на транзисторе в режиме отсечки, Як - сопротивление резистора, включенного в цепь коллектора, 16 - базовый ток.

Е,/Л

«нп

23

Дн ! ~''.,„,, ! ! Ф Рис. 1.3. Принуипиа'гьная схема параметрическоео стабилизатора напряженггя постоянного тока ПСН по существу представляет собой делитель входного напряжения У„к, содержащий, как минимум два электрорадиоэлемента: гасящий (балластный) резистор Л,, имеющий линейную вольтамперную характеристику (ВАХ), и стабилитрон И.г1, имеющий нелинейную вольт-амперную характеристику, параллельно которому включают нагрузку Ян .

к о~по О,,1

Е кэ нас к кэ

кэ ото Рис. 1.2. Коллекторны е характеристики транзггсгпора: участок ОА-режим насыщения; участок ОВ-режим отсечки; учаспгок АС-активный билинейный) режим

В КСН с ИР регулирующий транзистор работает в импульсном (ключевом) режиме, то есть рабочая точка регулирующего транзистора перемещается из режима насыщения (участок ОА) в режим отсечки (участок ОВ) и обратно.

Различают три временных режима управления силовым (регулирующим) транзистором: широтно-импульсная модуляция (ШИМ), частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) и двухпозиционная (релейная) модуляция (ДПМ). Частота переключения (преобразования) 1'„транзистора, выполняющего роль регулирующего элемента в КСН с ИР, составляет 10...200 кГц.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока показана на рис. 1.3.

Рис. 1.4. Ьольт-амперная характеристика р-и перехода.' 1

квадранпг — выпрямительный режим; 3 — квадрант — режим

стабилггзаггии

На рис. 1.4 приведена ВАХ кремниевого стабилитрона, у которого область 1-2 характеристики является рабочей. Иногда го-

ot_012

Распознанный текст из изображения:

24

25

ворят, что стабилитроны работают на обратной ветви ВЛХ р-и перехода в области пробоя.

Принцип действия параметрического стабилизатора напряжения заключается в следующем. При, например, увеличении напряжения У„. на входе ПСН возрастет и падение напряжения на стабилитроне И)1, а значит и выходе 1/,,ы,. ПСН. Ток У,.„,, протекающий через стабилитрон Е'.О1, из-за нелинейности его вольтамперной характеристики значительно возрастет, что приведет к существенному увеличению тока У„+1,,„,, протекающего через гасящий резистор Я. и представляющего сумму токов, протекающих через нагрузку Г,„и стабилитрон 1„„„а значит к увеличению падения напряжения Ь'В на гасящем резисторе Л,.

Приращение падения напряжения на гасящем резисторе примерно равно увеличению напряжения 1/,., на входе ПСН, так что напряжение 1.г,„„на выходе ПСН, равное падению напряжению на стабилитроне, остается практически постоянным.

Коэффициент стабилизации выходного напряжения по входному К„параметрического стабилизатора напряжения приближенно рассчитывается по формуле 14")

У„~,.Р.

(1, 1)

6Х ! С'7л

где Я;,,,„- дифференциальное (динамическое) сопротивление стабилитрона.

Из формулы (1.1) Видно, что, чем больше сопротивление гасящего резистора Я, по сравнению с дифференциальным сопротивлением Л;,.„, стабилитрона, тем выше коэффициент стабилизации К„выходного напряжения по входному напряжению. Однако следует помнить, что с ростом А„необходимо увеличивать и У„„(при заданном выходном напряжении 1l„„. ПСН), что приводит к увеличению мощности, рассеиваемой на гасящем резисторе, а значит, и уменьшению КПД всего параметрического стабилизатора напряжения.

Коэффициент стабилизации К„выходного напряжения по входному у ПСН не превышает 10...15. Если необходимо иметь большее з наченпс К то используют многокаскадные схемы

И ~ ПСН, в которых последовательно включают несколько параметрических стабилизаторов напряжения.

Внутреннее сопротивление Я, параметрического стабилизатора нап

апряжения постоянного тока приближенно равно дифференциальному сопротивлению стабилитрона А..~. то есть

~~ сиг' (1.2)

Дифференциальное сопротивление стабилитронов существенно зависит от напряжения стабилизации У„„ и тока стабилизации 1,.„, (рис. 1.5). Ом тА

Рис. 1.5. ЗависиВпА мость дифференциального сопротивле ния стабилитронов от напряжения стабилгпации

г» В

Из рис. 1.5 видно, что минимальное значение Л....„имеют стабилитроны с напряжением стабилизации,, = 7...8 В.

= 7...8 В. Поэтому при необходимости иметь стабилизированное напряжение, например, 15 В, целесообразно вместо одного высоковольтного стабилитрона установить два последовательно включенных низковольтных стабилитрона. Это позволит получить ПСН с малым внутренним сопротивлением.

Параллельное включение стабилитронов недопустимо, так как у стабилитронов даже одного типа неизбежен разброс по напряжению стабилизации и при параллельном включении будет работать только один из приборов с наименьшим значение

ением У

Параметрические стабилизаторы напряжения часто исполь-

ot_013

Распознанный текст из изображения:

26

27

Рис. 1.б. 3ависи-

0,04

мосгпь температур-

ного коэффгщг~ента

стабгглггзацигг от

напряженггя спгаби-

лизаггии

- 0,04

зуются в КСН с НР и в КСН с ИР как источники эталонного 1опорного) напряжения (ИЭН), которые должны иметь малый температурный коэффициент стабилизации угу выходного напряжения (ТКН), определяемый по формуле ~~~' выл

вых . 1ОО 0~' (1.3) где Т - температура стабилитрона.

Единицей измерения ТКН является '.0/К г'читается процент на Кельвин).

В свою очередь ТКН стабилитрона определяет и величину отклонения выходного напряжения от номинального значения ПСН при изменении температуры окружающей среды.

На рис. 1.6 приведена зависимость ТКН от напряжения стабилизации для различных стабилитронов. в'к 0,08

Типовые вольт-амперные характеристики р-и перехода приведены на рис. 1.7. У диодов, реализующих прямое включение ри перехода, ВАХ представляется, как правило, одной обобщенной линией г'на рис. 1.7 она показана в 1-ом квадранте сплошной линией). Естественно, что ВАХ стабилитрона, включенного в прямом направлении, совпадает с ВАХ диода. С повышением температуры диода ~р-и перехода) его ВАХ смещается влево (на рис.1.7 это иллюстрирует штриховая линия 1-го квадранта), то есть диоды имеют отрицательный ТКН. Прямое падение напряжения 1.г„„ на диоде при токах, превышающих 1мА, равно 0,7...1,5 В и не-

начительно возрастает при увеличении тока до 20 мА. Для стабилитронов, реализующих обратное включение р-и перехода, величина ТКН у~. существенно зависит от напряжения стабилизации. Для значений напряжения стабилизации от 7 В до 13 В сходные ВАХ имеют стабилитроны Д814А...Д814Д, а для У, от 3 В до 7  — стабилитроны 2С133А...2С168А (сплошные линии в 3- ем квадранте рассматриваемого рисунка).

Рис. 1.7. Типовые вольт-амперные характеристики стабилитро-

нов при температурах 293 К (сплоигные линии) и 333 К (штрихо-

вые пинии)

Рассматривая вольт-амперные характеристики стабилитронов при температурах 293К и ЗЗЗК можно заметить, что их ВАХ сдвигаются влево при напряжении стабилизации больше -6 В и вправо при напряжениях стабилизации меньше -5 В. Из рис. 1.7 видно, что стабилитроны с У„„> 6В имеют положительный ТКН, стабилитроны с У, < 5 В - отрицательный ТКН, а у стабилитронов с напряжением стабилизации 5...6 В при определенных токах ТКН стремится к нулю.

ot_014

Распознанный текст из изображения:

Из рис. 1.7 видно также, что наклон кривых, характеризующих изменение У, при изменении тока 1,„„протекающего через стабилитрон, для стабилитронов с разными У„„неодинаков, причем этот наклон наименьший в области Ув„, от 7 В до 9 В. При напряжениях стабилизации, превышающих 9 В и меньших 7 В„ наклон кривых увеличивается. В области ~У,,„,< 6 В при токах 1,.„< 5...10 мА наклон кривых особенно большой.

Информация, представленная на рис. 1.7, широко используется при разработке стабилитронов с целью уменьшения их ТКН. Так, положительный ТКН стабилитронов с Ув > 6 В, включенных в обратном направлении, можно скомпенсировать, включив последовательно с ними стабилитроны в прямом направлении (рис. 1.8), но имеющие отрицательный ТКН. Я1

Лв Рис. 1.8. Схема параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока с термокомпенсируюгуими стабилитронами ИЭ2и И)3

Так как при включении в прямом направлении стабилитрона его режим работы характеризуется свойствами обычного р-и перехода, то для термокомпенсации могут быть использованы не только стабилитроны, но и диоды. Комбинируя в одном корпусе последовательное соединение р-и перехода, включенного в обратном направлении, и одного или нескольких р-п переходов, включенных в прямом направлении, получают полупроводниковые приборы с приемлемой вольт-амперной характеристикой и ТКН, приближающимся к нулю (-0,001 %/К). По такому принципу построены отечественные прецизионные стабилитроны типа

29

д818 и КС196, где используется последовательное включение в о ном корпусе трех р-п переходов: одного, включенного в обратном направлении, и двух, включенных в прямом направлении.

учитывая,чтовПСН(см.рис.1.3) Ув =(1„+1, ) Я„+У, то из последнего соотношения можно записать формулу ддя определения сопротивления гасящего резистора Я,

~-~вых '> „1)

1

Аг = (1.4) где п = ~)вы, /У - коэффициент передачи напряжения со входа на выход ПСН (обычно и=- 0,5...0>7). Формула (1.4) показывает, что для максимально большого значения А,, а, следовательно, большого коэффициента стабилизации К„, следует выбирать стабилитрон с минимально возможным током стабилизации, либо с минимально возможным напряжением стабилизации.

Для повышения мощности ПСН в них включают усилители мощности.

Схемы простейших усилителей мощности для ПСН приведены на рис. 1.9. Здесь и далее для пояснения работы схем и сокращения записи введены следующие обозначения: 1 - увеличение функции, 1 - уменьшение функции, -~ - переход от функции к функции.

В схеме„показанной на рис. 1.9,а, регулирующий транзистор ГТ1 включен параллельно нагрузке Я„. Гасящий резистор Я, предназначен для ограничения тока, протекающего через транзистор и нагрузку. Пусть по какой-либо причине возросло напряжение на нагрузке. Устройство в этом случае будет работать по алгоритму:

~живых 1 ~"бэ 1 1к 1 ~1л, 1' ~1кэ 1 ~1вых 1 >

где Уб, — падение напряжения между базой и эмиттером транзистора РТ1. Так как ток стабилизации в данной схеме представлен током базы транзистора РТ1, то ток в нагрузке будет в Ьлэ (Ьг~э= 20...75 - коэффициент передачи тока) раз больше, чем в ранее рассмотренной схеме ПСН (рис. 1.3). В данной схеме транзистор играет роль переменного шунтирующего резистора, который пе-

ot_015

Распознанный текст из изображения:

30 рераспределяет токи между транзистором и нагрузкой. А

б) Рис. 1.9. Усилитель мощности. ПГН: а — с параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки, б — с последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки Другая схема ПСН, где транзистор включен последовательно с нагрузкой Я„, приведена на рис. 1.9,б. Пусть по какой-либо причине возросло напряжение на нагрузке. Схема будет работать по алгоритму:

~1вых 1 ~гэбэ 1 1б ~ ~1кэ 1 ~живых где 1б - ток базы транзистора 1'71.

Как и ранее ток стабилизации определяется током базы транзистора 1'Т1, а ток нагрузки будет в Ьдэ раз больше, чем в схеме, показанной на рис. 1.3. В данной схеме (рис. 1.9) транзистор играет роль переменного балластного резистора, который перераспределяет падения напряжений на регулирующем элементе и нагрузке.

31

Как уже было отмечено, качество стабилизированного напряжения с помощью ПСН невелико, поэтому в прецизионных ИВЭ используются стабилизаторы, построенные по принципу „омпенсации возникшего изменения падения напряжения на нагрузке. Существует достаточно обширный класс разновидностей КСН с НР. Данная группа стабилизаторов достаточно распространена и представляет систему автоматического регулирования с цепью отрицательной обратной связи.

В зависимости от способа включения регулирующего элемента и нагрузки КСН с НР подразделяются на стабилизаторы последовательного и параллельного типа (рис. 1.1). В стабилизаторах первого пша регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой, а в стабилизаторах второго типа - параллельно. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием приведены на рис. 1.10.

В схеме, показанной на рис. 1.10,а„ изменение входного напряжения или тока нагрузки КСН с НР вызывает в первый момент времени изменение напряжения на выходе стабилизатора. Измерительный элемент (ИЭ) выполняет функцию делителя выходного напряжения У КСН с НР. С ИЭ часть ~У подается на первый вход усилителя постоянного тока (У). На второй вход усилителя постоянного тока с ИЭН поступает стабилизированное эталонное напряжение. Разность между частью выходного напряжения и эталонным напряжением усиливается усилителем У и подается на регулирующий элемент. Напряжение на РЭ изменяется соответствующим образом и компенсирует изменение выходного напряжения с определенной погрешностью, вызванное изменением входного напряжения и/или тока нагрузки КСН с НР.

На рис. 1.10,6 представлена схема параллельного компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока с непреРывным регулированием. Регулирующий элемент включен паРаллельно нагрузке. При изменении входного напряжения У в первый момент времени напряжение У на выходе КСН с НР

выл

также изменяется. На входе усилителя постоянного тока (УПТ) "оявляется сигнал рассогласования между частью выходного на-

ot_016

Распознанный текст из изображения:

32 пряжения и эталонного. Сигнал рассогласования усиливается УПТ и поступает на вход РЭ. выл

выл Рис. 1.10. Структурные схемы КСО е НР: а — с последовательным включением регулирующего элемента и нагрузки; 6 - с параллельным включением регулирующего элемента и нагрузки

Изменение сигнала на входе РЭ приводит к изменению его входного тока 1„, что, в свою очередь, вызывает изменение тока 1», потребляемого КСН с НР от источника питания. Изменение входного тока 1в приводит к изменению падения напряжения на гасящем

33

резисторе Я,, в результаге чего выходное напряжение У КСН с ЯР приближается к своему первоначальному значению.

Изменение ~ока нагрузки 1„вызывает противоположное по энаку и равное по значению изменение тока 1, текущего через РЭ. Таким образом, при изменении тока нагрузки 1„ток, потребляемый стабилизатором от источника питания, не изменяется.

Широкое применение компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием объясняется их высокими качественными показателями и хорошей электромагнитной совместимостью с аппаратурой радиоэлектронных средств. Их основными недостатками являются относительно низкий КПД, уменьшающийся с понижением уровня выходных напряжений, и большие массогабаритные показатели.

Все составные элементы КСН с НР должны обладать определенными параметрами, на которые накладывается ряд ограничений.

В качестве регулирующего элемента в КСН с НР постоянного тока используются, как правило, биполярные транзисторы и МДП транзисторы с барьером Шотки. При выборе транзистора следует учитывать пределы возможных изменений падения напряжения на его коллекторно-эмиттерном переходе, коллекторный ток транзистора, а также мощность, рассеиваемую транзистором. Из этого и определяются геометрические параметры радиатора или тепловой трубы, используемых для отвода от транзистора рассеиваемой энергии, а также массогабаритные параметры всего линейного стабилизатора напряжения. Кроме того, биполярные транзисторы обладают небольшим коэффициентом передачи по току в схеме с общим эмиттером Ь~~, Поэтому для увеличения чувствительности РЭ к дестабилизирующим факторам часто используются составные транзисторы (транзисторы, включенные по схеме Дарлингтона), у которых общий коэффициент передачи "д, для двух транзисторов (рис. 1.11,а) определяется равенством "л,= /гав.,~ Ьд.з. где Ь.~л~ и Ь ~,. — коэффициенты передачи по току в схеме с общим:эмиттером первого и второго транзисторов. Одна"о существенным недостатком данной схемы является увеличение

ot_017

Распознанный текст из изображения:

38

жения с непрерывным регулированием, 3 — нагрузка.

Сетевой выпрямитель содержит понижающий трансформатор Т1, двухполупериодный выпрямитель (диоды ГР1 и И)2), построенный по схеме со средней точкой, сглаживающий емкостной фильтр (конденсаторы С2...С5). Кроме того, сетевой выпрямитель включает в себя однополупериодный выпрямитель (диод КРЗ), сглаживающий емкостной фильтр (конденсатор С1), ПСН (стабилитрон ИЭ4 и резистор А4).

КСН с НР построен по типовой схеме. Регулирующий элемент выполнен на трех транзисторах ГТ2... 1'Т4„два из которых 1'ТЗ и 1'Т4 включены по схеме Дарлингтона (составного транзистора). Параметрический стабилизатор напряжения, реализованный на стабилитронах УР5... И314 и резисторе А10, формирует на эмиттере усилительного транзистора 7Т5 эталонное напряжение У, Термокомпенсация эталонного напряжения в рассматриваемом ПСН обеспечивается пятью стабилитронами ГР5... И)9, включенными встречно-последовательно со стабилитронами ИЭ10... И)14, определяющими, в основном, эталонное напряжение У, . Использование в резистивном делителе А12...А14 выходного напряжения У потенциометра А13 позволяет регуливых

ровать выходное напряжение КСН с НР. Пределы регулирования выходного напряжения У~, можно определить по формуле

А12+ А13+ А14

вык ( эт + эб5)' (1.7)

где ~У б 5 — напряжение между эмиттером и базой усилительного транзистора И5, У, — эталонное напряжение (напряжение стабилизации стабилитронов ИЭ5... ИЭ14), А'13 — сопротивление потенциометра А13 между его движком и резистором А14.

Для повышения величины коэффициента стабилизации К„ выходного напряжения по входному напряжению компенсационного стабилизатора с непрерывным регулированием, напряжение питания его усилителя, построенного на транзисторе ГТ5, осуществляется суммой выходного напряжения КСН с НР и напряжением на стабилитроне И34.

39

Защита КСН с НР от короткого замыкания (КЗ) (превышения по току) реализована схемой, состоящей из транзистора Л'1, резистора А5 и датчика тока (параллельно включенные резисторы Аб и А7).

Конденсаторы Сб и С7, включенные между коллектором и базой транзисторов УТЗ и ГТ5 устраняют самовозбухсдение соответствующих усилителей.

Резисторы А2 и АЗ, включенные последовательно с диодами К03 и И)1, служат для наблюдения осциллограммы тока, протекающего через соответствующие диоды.

Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе КСН включают емкостной сглаживающий фильтр, состоящий, как правило, их двух конденсаторов (электролитического и керамического) [9]. Электролитические конденсаторы, которые являются подярными, эффективно сглаживают низкочастотную составляющую ®ыходного напряжения, а керамические конденсаторы — высокочастотную составляющую. Электролитические конденсаторы не могут работать в цепях переменного тока. Вывод электролитичеакого конденсатора, обозначенный знаком "+" всегда должен быть ' одключен к положительной шине соответствующего напряжения.

а рис. 1.14 емкостной сглаживающий фильтр построен на конденсаторах С8 и С9. При проектировании емкостного фильтра следует фчитывать такие важные параметры конденсатора, как мощность потерь и полное сопротивление конденсатора. Активная мощность фотерь Р, в конденсаторе определяется соотношением Р„= 2~А/ С,фб, где ~У - амплитуда переменной составляющей Частоты1, Сэ- эквивалентнаЯ емкость конденсатоРа, ~1ф - тангенс угла потерь.

Из приведенного соотношения видно, что с ростом любого параметра потери в конденсаторе растут, что ведет к его нагреву Ф повышает вероятность выхода конденсатора из строя. Необхо4ймо отметить, что суммарная величина амплитуды пульсации и постоянной составляющей на конденсаторе не должна превышать величины, указанной на корпусе конденсатора или в технических УСловиях на применяемый конденсатор.

ot_018

Распознанный текст из изображения:

37

т

б)

Ч2 ~ ~ ~Ч5',Ч4 Ч5' , 'Ч6Ч7', 1

ч

гю

в)

ч

г)

-2Е

д)

левым выводом) и работающего на емкостную нагрузку 1характер нагрузки определяет первый элемент пассивного сглаживающего фильтра).

Рис. 1. 12. Принципиальная электрическая схелга выпрялгите гя,

построенного по схелге со средней точкой

Питание выпрямителя осуществляется от сети переменного (гармонического) тока -и„. На полуобмотках вторичной обмотки трансформатора Т1 наводятся ЭДС индукции е,, и е,л, временная зависимость которых определяется соотношениями

е2„— — Е, „вгпч 11.5) юг, — — Е~ „яп(ч +гг), (1.б) где Е2,„- амплитуда ЭДС на полуобмотке вторичной обмотки, ч =сог, г - время, оэ=2гг1 - круговая частота, 1- циклическая частота. На рис. 1.12 обозначено: георг и бакр. — токи, протекающие через диоды ИЭ1 и ИЭ2, соответственно, г,„р- ток заряда конденсатора, гр,р — ток разряда конденсатора. Характерные эпюры напряжений и токов рассматриваемого выпрямителя приведены на рис. 1.13.

Очевидно, что через диоды в нагрузку токи текут в разные полупериоды сетевого напряжения. При этом токи заряда и разряда в конденсаторе С1 протекают в каждом полупериоде сетевого напряжения. Из рис. 1.13 видно„что угол отсечки реализуется при протекании тока через открытый диод, то есть в интервале времени заряда конденсатора. При этом к другому диоду приложено обрат-

ное напряжение гг,.р, амплитуда которого равна 2Е „„,.

Рис. 1.13. Характерные эпюры напряжений и токов для выпрялгителя, построенного по схелге со средней точкой

Принципиальная схема лабораторного макета приведена на Рис 1.14. Макет состоит из трех функциональных блоков: 1 — сетевой

ой выпрямитель, 2 — компенсационный стабилизатор напря-

ot_019

Распознанный текст из изображения:

38

жения с непрерывным регулированием, 3 — нагрузка.

Сетевой выпрямитель содержит понижающий трансформатор Т1, двухполупериодный выпрямитель (диоды Г01 и Л)2), построенный по схеме со средней точкой, сглаживающий емкостной фильтр (конденсаторы С2...С5). Кроме того, сетевой выпрямитель включает в себя однополупериодный выпрямитель (диод ИЭЗ), сглаживающий емкостной фильтр (конденсатор С1), ПСН (стабилитрон ИЭ4 и резистор А4).

КСН с НР построен по типовой схеме. Регулирующий элемент выполнен на трех транзисторах ГТ2... РТ4, два из которых Л'3 и УТ4 включены по схеме Дарлингтона (составного транзистора). Параметрический стабилизатор напряжения, реализованный на стабилитронах И~5...И)14 и резисторе Я10, формирует на эмиттере усилительного транзистора И5 эталонное напряжение У, . Термокомпенсация эталонного напряжения в рассматриваемом ПСН обеспечивается пятью стабилитронами ИЭ5... И)9, включенными встречно-последовательно со стабилитронами И)10... Г014, определяющими, в основном, эталонное напряжение У, . Использование в резистивном делителе Я12...А14 выходного напряжения У потенциометра Я13 позволяет регули-

6ЫХ

ровать выходное напряжение КСН с НР. Пределы регулирования выходного напряжения У~~, можно определить по формуле

Я12 + А13 + А14

вых ( эпч + эб5)' (1.7)

где У,65 — напряжение между эмиттером и базой усилительного транзистора УТ5, 11, — эталонное напряжение (напряжение стабилизации стабилитронов ИЭ5... ПЭ14), А'13 — сопротивление потенциометра Я13 между его движком и резистором Я14.

Для повышения величины коэффициента стабилизации К„ выходного напряжения по входному напряжению компенсационного стабилизатора с непрерывным регулированием, напряжение питания его усилителя, построенного на транзисторе ГТ5, осуществляется суммой выходного напряжения КСН с НР и напряжением на стабилитроне И~4.

39

Защита КСН с НР от короткого замыкания (КЗ) (превыше„я по току) реализована схемой, состоящей из транзистора ГТ1,

зистора А5 и датчика тока (параллельно включенные резисторы дби А7)

Конденсаторы Сб и С7, включенные между коллектором и б зои транзисторов 1'ТЗ и Г'Т5 устраняют самовозбуждение соответствующих усилителей.

Резисторы Я2 и АЗ, включенные последовательно с диодами р~)3 и ИЭ1, служат для наблюдения осциллограммы тока, протекающего через соответствующие диоды.

Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе КСН включают емкостной сглаживающий фильтр, состоящий, как правило, их двух конденсаторов (электролитического и керамического) 19]. Электролитические конденсаторы, которые являются полярными, эффективно сглаживают низкочастотную составляющую выходного напряжения, а керамические конденсаторы — высокочастотную составляющую. Электролитические конденсаторы не могут работать в цепях переменного тока. Вывод электролитического конденсатора, обозначенный знаком "+" всегда должен быть подключен к положительной шине соответствующего напряжения. На рис. 1.14 емкостной сглаживающий фильтр построен на конденсаторах С8 и С9. При проектировании емкостного фильтра следует учитывать такие важные параметры конденсатора, как мощность потерь и полное сопротивление конденсатора. Активная мощность потерь Р,,в конденсаторе определяется соотношением Р„, = 2~фУ С,~дб, где (1 - амплитуда переменной составляющей частоты1, С, — эквивалентная емкость конденсатора, фб - тангенс угла потерь.

Из приведенного соотношения видно, что с ростом любого параметра потери в конденсаторе растут, что ведет к его нагреву и повышает вероятность выхода конденсатора из строя. Необходимо отметить, что суммарная величина амплитуды пульсации и постоянной составляющей на конденсаторе не должна превышать величины, указанной на корпусе конденсатора или в технических условиях на применяемый конденсатор.

ot_020

Распознанный текст из изображения:

40

1

1 УР!„. КРЗ Д226Б

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

ПзЗ Л2 2,5

Я4

-с'

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Рис. 1.14. Схема прггнггипиальная лабораторного макета низко-

вольтного стабгглггзированного блоки питания, построенного ыо

традиг4ионной' схеме

41

Полное сопротивление у конденсатора, характеризующее го работоспособность на высоких частотах, определяется известной формулой

где г — активное сопротивление потерь конденсатора, С вЂ” емкость конденсатора, Š— индуктивность токопроводящих частей конденсатора (в основном выводы конденсатора). Емкостное сопротивление конденсатора х г с повышением частоты умень-

2гггС

шается, а индуктивное Х =2гуХ вЂ” увеличивается. Наименьшее сопротивление конденсатора достигается при равенстве емкостного Х,, и индуктивного Х сопротивлений, то есть на резонанснои частоте 1,, равной 1, Конденсатор может эф2гг ~/ХС

фективно работать только на частотах ~< гр, то есть не превышающих резонансной частоты. Формула резонансной частоты показывает, что для того чтобы отфильтровать высокочастотную составляющую спектра пульсации, необходимо использовать конденсатор с малой емкостью. Эффективным способом увеличения резонансной частоты и уменьшения сопротивления емкостного фильтра является параллельное включение электролитическому конденсатору большой емкости керамического или пленочного конденсатора малой емкости, но имеющего значительно большую резонансную частоту, чем электролитический. Пульсация на выходе такой пары конденсаторов уменьшается в 5...10 раз по сравнению с использованием только электролитического конденсатора. Поэтому,на практике параллельно электролитиче~кому конденсатору большой емкости, которая фильтрует низкочастотную составляющую пульсации, подключают керамический конденсатор с малой емкостью.

Принцип действия КСН с НР основан на использовании цепи отрицательной обратной связи для минимизации разностного сигнала между эталонным напряжением и частью выходного напряжения Пусть каким либо образом на нагрузке возросло напряжение тогда работа КСН с НР будет осуществляться по алгоритму:

ot_021

Распознанный текст из изображения:

42 У ~ + Идгт5 ~ + ~1бР72 ~ + (16/тз ~ ()вУт4 1 ~'к~" т4 1 вык

Алгоритм показывает, что за счет цепи ООС КСН с НР отследил изменение напряжения на нагрузке и ввел компенсацию.

Рассматриваемый СН обладает защитой от короткого замыкания в нагрузке, которая работает по следующему алгоритму: 1и 1 + т1ы,л71 + 11ь~т~ 1 ~ ~~ттз1 — + т~ют4 1 + ~~.ит4 1 +1~1. Алгоритм показывает, что при возникновении в нагрузке КЗ в СН срабатывает защита, которая управляет регулирующим транзистором 1 Т4, минуя цепь ООС. 1.2.2. Вычислите, используя формулу (1.7), пределы регулирования выходного напряжения источника вторичного электропитания, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.14. 1.2.3. Для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис. 1.13) определите угол отсечки О. Результаты расчетов представьте в виде табл. 1.1.

Таблица 1.1 Расчет угла отсечки для двухполупериодного выпрямителя, по-

д

Для нахождения угла отсечки 0 следует воспользоваться известным трансцендентным уравнением

1д Π— О=А, (1.8) где 1=я1'10/т~10, Я вЂ” сопротивление фазы выпрямителя, 10— средний выпрямленный ток, т — число используемых полупериодов питающей сети, ~/0 — среднее выпрямленное напряжение.

Сопротивление А фазы выпрямителя определяется суммой сопротивления диода Акр и сопротивления (активного) трансформатора А, приведенного к его вторичной обмотке, то есть

А =Я~р+А . ( 1.9)

Сопротивление диода в выпрямителе, работающем на емкостную нагрузку, приближенно определяют по формуле:

43

)~ир = ~р'З10 (1.10)

,. е ~„~ - прямое падение напряжения на диоде, равное примерно 0,7...1,5 В.

3начение активного сопротивления Я трансформатора Т1, приведенное к его вторичной обмотке, вычисляют по формуле

УО 1 Вт 5

Л вЂ” К О 4 Х Т

(1.1 1)

1О Х'Вт ~1О 1О

где Вт — амплитУДное значение магнитной инДУкЦии в магнитопроводе трансформатора (для низкочастотных трансформаторов ориентировочно Вт= 1,2 Тл), 1 — частота питающей сети, 5 — число стержней трансформатора, на которых размещены их обмотки (Я=1, магнитопровод трансформатора ШЛ 12х16), К вЂ” коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (для двухполупериодной схемы со средней точкой К= 4,7).

Уравнение (1.11) решают численным методом. Высокую скорость сходимости итерационного процесса и некритичность к выбору начального приближения имеет метод Ньютона (метод касательных). В этом методе для нахождения корня уравнения

Е(х) = О, (1.12) реализуется итерационный цикл

х„, = х„— Г(х)/Г'(х), (1.13) где и — номер итерации, Г'(х) — производная уравнения (1.12).

Применительно к уравнению (1.8) для расчета угла отсечки О, выражение (1.13) может быть записано в следующем виде

ф΄— 0„— А

М л

Е„-1

(1.14)

При выборе начального приближения для угла отсечки следует иметь в виду, что угол 0 изменяется в интервале от нуля до к/2. Численный счет проводят, как правило, до получения трех достоверных цифр, то есть модуль разности е значений угла отсечки О, ~ и О„для двух последовательных итераций и+1 и и, не превышает 0,001 (здесь единица измерения угла отсечки — радиан). Тогда условие выхода из итерационного цикла можно записать в следующем виде:

~„„— 0„< е. (1.15)

ot_022

Распознанный текст из изображения:

44

1.3. Программа экспериментального исследования

1.3.1. Внести в табл. 1.2 основные технические параметры приборов лабораторного стенда.

Таблица 1.2 Основныетеннонеснгепр ет ып обо овеабо аторногоапсндо

р

мулы расчета системаеской погрешности

Тип ~ри бор

лютной ~ относитель- ной

123

Графу "Пределы измерения"' целесообразно заполнить после проведения экспериментов, так как она содержит информацию о фактических пределах измерений, применяемых в данной лабораторной работе. 1.3.2. Исследование нагрузочных характеристик выпрямителя и источника вторичного электропитания

Установите движок потенциометра А13 в среднее положение. Изменяя с помощью резистора А15 сопротивление нагрузки, измерьте напряжение Уо на выходе двухполупериодного выпрямителя (клеммы Х55 и ХЯб) и ток 1О (амперметр РА1), потребляемый КСН с НР, а также выходное напряжение ИВЗ ~У„„(клеммы ХЯ9 и ХИО) и его ток нагрузки 1„(амперметр РА2). Измерения провести для 10...15 значений сопротивления нагрузки. Результаты полученных измерений занести в табл. 1.3.

Таблица 1.3 П д выпрямителя и ИВЭ

значение Я„, Ом

сНР %

45

Исследование пределов регулирования выходного напря. ения источника вторичного электропитания

для двух значений сопротивления нагрузки Я„выполните „мерение выходного напряжения У„„, источника вторичного

лектропитания при трех положениях движка потенциометра Я13 и внесите их в табл. 1.4.

Табли а1.4

нтальные У„„, В

й.13 =

/2 В.13 1З.4.Исследование угла отсечки для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей

Для трех значений сопротивления нагрузки Я„ при среднем положении движка потенциометра Я13 получите осциллограммы падения напряжения на резисторах Я2 (клеммы Х51 и Х52) и ЯЗ (клеммы Х52 и ХЯ4), затем нанесите полученные осциллограммы на миллиметровую бумагу с указанием периода, длительности и а П 1.15.

Рис.

ис. 115. Осциллограмма тока, протекающего через диод вы"рямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку

ot_023

Распознанный текст из изображения:

46

1.4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.4.1. На основании экспериментальных данных, полученных ~ п. 1.3.2, необходимо на одном графике построить нагрузочные ха. рактеристики двухполупериодного выпрямителя и ИВЭ. На график~ вначале надо нанести экспериментальные точки, а затем выполнить аппроксимацию этих экспериментальных точек аналитической функцией, например полиномом первой степени (см. раздел М.1).

1.4.2. Пределы регулирования выходного напряжения источник~ вторичного электропитания можно определить по формуле (1.7), При этом следует учесть, что у стабилитрона Д814А номинально~ напряжение стабилизации равно 9,0 В, прямое падение напряжения — 1,0 В, а дифференциальное сопротивление не превышает 6 Ом.

1.43. При анализе КПД КСН с НР необходимо оценить погрешность его определения.

1.4.4. При определении угла отсечки по п. 1.3.4 воспользоваться полученной осциллограммой, в соответствии с которой вычислить угол О по формуле

о =г80' (~/~), (1.16)

где 1 — время протекания тока через диод, Л вЂ” период следования импульсов тока.

Следует уточнить, что на резисторах Я2 и ЯЗ снимались осциллограммы падения напряжения. Если номиналы этих падений напряжения разделить (в соответствии с законом Ома) на номиналы соответствующих резисторов, то будут получены номиналы токов, протекающих через соответствующие резисторы. При этом осциллограмма тока будет отличаться от осциллограммы падения напряжения только масштабом по амплитуде, а временные параметры осциллограмм совпадают.

Сопоставьте полученные с помощью осциллографа (формула (1.16)) значения угла отсечки О с расчетными значениями, найденными по уравнению (1.8).

1.5. ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

При оформлении отчета по лабораторной работе используйте методические указания по расчету параметров электропреобразовательных устройств и предварительной подготовке к вы-

47 полне н нию лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

УПРАВЛЯЕМЫИ ВЫПРЯМИТЕЛЬ НА ТИРИСТОРАХ 2 1. цель работы

Изучение принципа действия и схемотехники однофазного управляемого выпрямителя (УВ), построенного по схеме со среднеи точкой, а также экспериментальное исследование его основных характеристик и параметров. 2.2. Предварительная подготовка 2 2.1. По литературным источникам, например [1...4], ознакомьтесь с принц~шом действия управляемых выпрямителей и основными математическими соотношениями, характеризующими их работу. Ю Ю УЭ

б) П1 П2 ПЗ УЭ в) ' ис 2 1. Тиристор: а — условное обозначение динистора; б - условное обозначение триннстора; в — схема полупроводниковой

тру

ot_024

Распознанный текст из изображения:

48

49

В управляемых выпрямителях в качестве вентилей используются тиристоры. Тиристоры имеют четырехслойную (чередующиеся слои) структуру р-п-р-п с тремя р-и переходами (рис. 2.1), где П1, П2, ПЗ вЂ” р-и переходы, А — анод, К вЂ” катод, УЭ вЂ” управляющий электрод, 1„— анодный ток тиристора (течет от анода к катоду), 1,— ток управления (течет от управляющего электрода к катоду). На принципиальных электрических схемах тиристоры обозначаются РЖ Тиристоры подразделяются на динисторы и тринисторы. Если управляющий электрод отсутствует, то такой тиристор называется динистором. Если управляющий электрод присутствует, а сам прибор работает только при наличии положительного напряжения между его анодом и катодом, то такой прибор называется тринистором. Если управляющий электрод присутствует, а сам прибор работает при положительном и отрицательном напряжении между его анодом и катодом, то такой прибор называется симистором.

На рис. 2.2 показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора. Тиристор может находиться в одном из трех стабильных состояний: закрытом при положительном напряжении между анодом и катодом, закрытом при отрицательном напряжении между анодом и катодом и открытом.

Если (см. рис.2.2) приложенное положительное падение напряжения Уд~ между анодом и катодом тиристора находится в диапазоне от нуля до напряжения включения С~,. и ток управления 1, равен нулю, то анодный ток 1, тиристора мал (тиристор выключен). При равенстве приложенного напряжения Цд~ и напряжения включения У,, тиристор открывается и его рабочая точка перемещается на линейный участок (тиристор включен) и его анодный ток и прямое падение напряжения на тиристоре достигают номинальных значений 1, и Цд „, соответственно. Увеличение тока управления позволяет уменьшить напряжение включения тиристора. Наконец, при достижении током управления значения 1, тиристор сразу (при подаче на него даже очень малого положительного напряжения) переходит из состояния с малой проводимостью в состояние с большой проводимостью. Ток управления 1„, при котором тиристор имеет практически ВАХ диода (отсутствует область запертого состояния в прямом направлении)„называется током спрямления 1,,,

Рис. 2.2. Вольт-амперная характеристика тиристора

Очевидно, что ВАХ динистора тождественна ВАХ тринистора при его нулевом токе управления.

Чтобы закрыть (выключить) тиристор, необходимо снять (выключить) питающее напряжение Цд~ или поменять полярность питающего напряжения на время, необходимое для выключения тиристора. В этом случае анодный ток тиристора уменьшается и, достигнув значения удерживающего тока 1,д, тиристор переходит из состояния с высокой проводимостью в состояние с малой проводимостью.

После включения тиристор остается в открытом состоянии даже после снятия сигнала с управляющего электрода, что обусловлено наличием "памяти" у тиристора.

Применение тиристоров в ИВЭ позволяет не только преобразовывать переменный ток в постоянный, но и регулировать среднее выпрямленное напряжение. Управляемые выпрямители, построенные на тиристорах, имеют относительно высокий КПД, небольшие массогабаритные параметры и малую стоимость. Кроме того, тиристоры обладают относительно высокой скоростью переключения, что позволяет использовать их в устройствах защиты от перегрузок и короткого замыкания выходных цепей ИВЭ, а также в регуляторах как переменного, так и постоянного тока.

Схемы регуляторов на тиристорах чрезвычайно разнообразны и могу быть классифицированы по различным признакам.

Регулирующий элемент в тиристорных регуляторах и стабилизаторах, как правило, используется вместе с силовым трансформатором (существуют и бестрансформаторные схемы), что

ot_025

Распознанный текст из изображения:

51

50

Я у

б)

Л)2

а)

А У

вы.т

б)

а)

достаточно просто решает проблему гальванической развязки нагрузки от питающей сети, а также от устройств управления. При работе с трансформатором тиристорный регулятор может располагаться либо в цепи первичной обмотки (рис. 2.3,а), либо в цепи вторичной обмотки (рис. 2.3,б).

Рис. 2.3. Способы включения регулирующего элемента при работе с трансформатором: а — в первичную обмотку трансформатора; б — во вторичную обмотку трансформатора

При включении РЭ по схеме, приведенной на рис. 2.3,а, следует учитывать, что его расчетная мощность будет несколько больше, чем в схеме, приведенной на рис. 2.3,б, из-за потерь в трансформаторе.

в)

Рис. 2.4. Спас ~

обы встраивания тиристора в регулирующии эл

мент: а — встРечно-паРаллельный; б — диагональный' в — п ечевой

Известны три схемы включения тиристора в регулирующем элементе (рис. 2.4): а - встречно-параллельное, б — диагональное и в — плечевое.

При встречно-параллельном включении тиристоры К5'1 и Ю2 попеременно проводят ток в нагрузку только в течение положительного полупериода питающего напряжения, приложенного между анодом и катодом соответствующего тиристора. Простота технического решения, малые массогабаритные параметры и потери мощности определяют область применения данной схемы. Однако на тиристор в закрытом состоянии действует значительное обратное напряжение. Кроме того, данная схема требует применения гальванической развязки для передачи управляющих сигналов.

Указанные недостатки легко устраняются в схеме с диагональным включением тиристора в мостовую схему выпрямителя

ot_026

Распознанный текст из изображения:

52

(рис. 2.4,6). В этой схеме можно использовать низковольтные тиристоры, так как тиристор работает в двух полуволнах питающего напряжения при положительном напряжении на аноде. Однако, диоды моста И)1... Г04 пропускают через себя тот же ток, что и тиристор Г51, следовательно, рассеивают практически такую же мощностью, что и тиристор. Такое количество мощных диодов существенно увеличивает массогабаритные параметры РЭ.

Компромиссным решением между этими двумя схемами является плечевое включение тиристоров (рис. 2.4,в). В этой схеме число диодов сокращается при сохранении положительных качеств схемы, выполненной по рис. 2.4,6.

Для схем, показанных на рис. 2.3, в состав которых входит РЭ, построенный по рассмотренным схемам (рис. 2.4), справедливы следующие соотношения: У2 = и У~, 1~ = и 1„, где Ь': и 12— действующие напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора, У~ и 1~ — действующие напряжение и ток первичной обмотки трансформатора, 1„— ток нагрузки. Расчетная мощность Р, трансформатора для схемы, приведенной на рис. 2.3,а, равна Р~ = У„, 1„, а для схемы, приведенной на рис. 2.3,6, равна Р2 У„, .1„.е, где е = Яа) — коэффициент зависимости мощности трансформатора от угла регулирования (управления) а (а > О).

При расчете тиристорного регулятора следует учитывать, что РЭ всегда обогащает спектр выходного напряжения за счет изменения фазы угла регулирования а. Амплитуда первой гармоники выходного напряжения У„, 1 тиристорного регулятора может быть найдена из выражения [5] У,„, ~ — — (к — о,) — (л — а) я~Ох — я1а, (2.1)

т~ где У„, — амплитуда выходного напряжения.

Если в соответствии с техническим заданием не требуется осуществлять регулирование напряжения непосредственно в сети (рис. 2.3,а), то, как правило, используется вариант построения тиристорного регулятора по схеме, приведенной на рис. 2.3,6. Такое решение определяется в основном наличием гальваниче-

53 ской развязки от сетевого напряжения и более низким уровнем напряжения, которое подается непосредственно на РЭ.

В настоящей работе исследуется УВ, построенный по схеме

о средней точкой. Поэтому полезно рассмотреть принцип действ„я такого управляемого выпрямителя (рис. 2.5).

Пусть УВ работает на активную нагрузку А1, то есть при

ндуктивности нагрузки 1.1=0 (рис. 2.5,а). На рис. 2.5,6 приведены характерные эпюры токов и напряжений для рассматриваемой схемы. Здесь и далее показано обратное напряжение только для тиристора Ю1, так как для тиристора Ю2 эпюра аналогична, но сдвинута на половину периода, что объясняется равенством плеч управляемого выпрямителя.

На входе УВ действует сетевое напряжение и, переменного тока. Тогда, в соответствии с правилом работы трансформатора, на аноде тиристора Ю1 индуцируется полуволна с положительным знаком, а на тиристоре Ю2 индуцируется полуволна с отрицательным знаком. На управляющие электроды тиристоров КП и К~1 поступают управляющие сигналы иу~ и иу2, формируемые блоком управления (рис. 2.5,а).

На временном участке О...а~~ оба тиристора закрыты, а напряжение на выходе УВ равно нулю. Падение напряжения на тиристоре КП определяется положительной полуволной напряжения вторичной обмотки и2 .

л "и

а)

ot_027

Распознанный текст из изображения:

54 и,, и и вых

б) Рис. 2.5. Двухполупериодный управляемый выпрямитель: а — схема приниипиальная; б — эпюры напряжений

В момент времени а~~ на управляющий электрод тиристора КУ1 поступает с блока управления (рис. 2.5,а) управляющий сигнал и~~ и тиристор Ю1 включается. При этом угол и, определяющий задержку включения тиристора по сравнению с моментом его естественной коммутации, называется углом регулирования. Падение напряжения на нагрузке при в~~=а скачком изменяется от нулевого значения до мгновенного напряжения ид на верхней полуобмотке вторичной обмотки трансформатора. Тири- стор К52 в это время закрыт, так как на его аноде присутствует отрицательное напряжение. На интервале времени от в~~ до со1~=т управляющий импульс иу~ отсутствует, но тиристор Ю1 продолжает оставаться открытым (падение напряжения на нем мало и определяется внутренним сопротивлением тиристора). Через нагрузку и тиристор Ю1 течет ток !д. Мгновенное напряжение и,„, на нагрузке совпадает с мгновенным напряжением и ~ на верхней полуобмотке вторичной обмотки трансформатора. В момент времени в~~ сетевое напряжение и,, изменяет знак. К ти-

55

Ристору Ю1 прикладывается обратное напряжение и тиристор ~Я1 закрывается, а тиристор Ю2 еще не открыт. На интервале времени оП~ ... со~з, равном углу управления а, к аноду тиристора ~51 приложена отрицательная полуволна напряжения ид„оба тиристора закрыты и мгновенное падение напряжения и,„,„на нагрузке равно нулю. В момент времени со~а на управляющий электрод тиристора Ю2 поступает управляющий импульс иу~ и тири- стор Ю2 открывается. Мгновенные напряжение и,„„на нагрузке и на тиристоре Г52 изменяются скачком. На интервале времени оз13,, 0)~4 управляющий импульс иу~ отсутствует, но тиристор Ю2 продолжает оставаться открытым (падение напряжения на нем мало и определяется внутренним сопротивлением тиристора). При этом через нагрузку и тиристор ~'52 течет ток !~~. Мгновенное падение напряжения на нагрузке определяется напряжением и~~ на нижней полуобмотке вторичной обмотки трансформатора, а к выключенному тиристору КП прикладывается обратное напряжение, равное суммарному (линейному) напряжению и~~+ и~~. В момент времени оп4 сетевое напряжение изменяет знак и все процессы в схеме УВ повторяются.

Недостатком данной схемы является наличие на закрытом тиристоре напряжения двойной амплитуды, что требует применения высоковольтных тиристоров. Если изменить фазу управляющего импульса (угол управления а), то время открытого состояния тиристоров будет изменяться, что приведет к изменению падения напряжения на нагрузке. Например, при а = О, напряжение на нагрузке максимально, а при а = к равно нулю. По определению можно записать, что среднее выпрямленное напряжение Уо на нагрузке равно

1' , 1+сока

~1о = — )и- '1~~ = — ~~1~ ~'и'ли1О" = ~!о (2.2)

~ о

л

где ~!о — — Л1, /к — среднее выпрямленное напряжение при нулевом угле управления, то есть для неуправляемого выпрямителя), Ь'~ - амплитудное напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора. Формула (2.2) определяет регулировочную ха-

ot_028

Распознанный текст из изображения:

56 рактеристику (зависимость среднего выпрямленного напряжения Ур от угла управления) выпрямителя, работающего на активную нагрузку (кривая 1 на рис. 2.6).

1 — 71 2 ' О

О к12 гв И Рис. 2.б. Регулировочные характеристики управляемого выпрямителя, работающего на активную (1) или активно- индуктивную (2) нагрузку

Характерные эпюры для УВ (рис. 2.5,а), работающего на активно-индуктивную нагрузку, приведены на рис. 2.7,а. Для упрощения анализа следует принять индуктивность нагрузки Ав бесконечно большой, то есть 1,„— +со.

Пусть согласно схеме построения УВ, показанной на рис. 2.5,а, на его вход подается сетевое напряжение и,. Тогда в соответствии с правилом работы трансформатора в течение интервале времени О... а~~ на аноде тиристора Ю1 формируется полуволна с положительным знаком, а на тиристоре Ю2 формируется полуволна с отрицательным знаком ~рис. 2.7,а). Тиристор Ю1 закрыт, а тиристор Ю2 открыт. На нагрузке выделяется напряжение отрицательного знака по форме, повторяющее напряжение и22. Такое состояние тиристоров характеризует предысторию процессов, которое будет пояснено ниже. На УЭ тиристоров поступают управляющие сигналы иу~ и иу~, которые разнесены во времени на половину периода питающего напряжения. В момент времени а~~ на управляющий электрод тиристора КП поступает управляющий сигнал Ь'у~. Тиристор Ю1 включается, а тиристор

57

~52 выключается, так как к нему прикладывается двойное обратное напряжение (при этом угол включения равен а). Мгновенное напряжение на нагрузке скачком изменяется нуля до значения, определяемого напряжением и~, на вторичной обмотке трансформатора.

На интервале времени со~,...со~~ управляющий импульс и ч отсутствует, но при этом тиристор Ю1 продолжает оставаться открытым, а значит, падение напряжения на нем мало и определяется внутренним сопротивлением тиристора. Через нагрузку и тиристор Ю1 течет ток ~2~. Напряжение на нагрузке определяется напряжением и~~ на вторичной обмотке трансформатора. К тиристору Ю2 приложено обратное напряжение равное сумме напряжений и~~ и и,~. В момент времени а~~ сетевое напряжение изменяет знак. Однако тиристор Г51 будет поддерживаться в открытом состоянии вплоть до момента времени а~з за счет ЭДС само- индукции на индуктивности 1.„нагрузки. Тиристор Ю2 еще не открыт. Напряжение в нагрузке определяется отрицательной полуволной напряжения и~,. В момент времени о~з на управляющий электрод тиристора Ю2 поступает управляющий импульс иу2, тиристор Ю2 открывается.

ОЭ1, ~гг~г оггз

4 в

и,

12 гг

1 1

и, и~.

и„

и,,

и

ввгх

ot_029

Распознанный текст из изображения:

58

со~, о~6,

и! °

и

с

У1' У2

и

'ип ! !

б)

Рис. 2. 7. Характерные эпюры напряжений и токов, действующих в управляемом выпрямителе, построенном по схеме со средней точкой при активно-индуктивном характере нагрузки: а — без шунтирующего диода; б — при наличии шунтирующего диод

Напряжение на нагрузке и на тиристоре Ю1 изменяется скачком. На интервале времени в~~...а~4 управляющий импульс и~~ отсутствует, но тиристор ~'52 продолжает оставаться открытым, а тиристор Ю1 - закрыт. Падение напряжения на тиристоре минимально и определяется внутренним сопротивлением тиристора. Через нагрузку и тиристор КЮ течет ток 1,~. Напряжение на нагрузке определяется напряжением и2~ на вторичной обмотке трансформатора. К тиристору Ю1 прикладывается обратное напряжение равное суммарному напряжению и2~ + игз. В момент времени а~4 сетевое напряжение изменяет свой знак. Тиристор Ю2 продолжает поддерживаться в открытом состоянии за счет ЭДС самоиндукции на А„. Тиристор Ю1 закрыт и к его аноду приложено напряжение и~~ положительной полярности. В момент времени со~5 поступает управляющий импульс и ч и тиристор Ю1 включается, а тиристор Ю2 выключается. Затем процессы в УВ повторяются.

Среднее выпрямленное напряжение на выходе управляемого

59

выпрямителя в этом случае определяется формулой

1 7~+а 1 к+а

~30 = ~ н„сна~~ = — ~~12, зтсоЫм~ = Уо со~а. (2.3)

т~ 77

а

График регулировочной характеристики рассматриваемого управляемого выпрямителя приведен на рис. 2.6.

При этом мгновенное падение напряжения и„„на открытом тиристоре зависит от угла управления и достигает максимального значения, определяемого соотношением

и „=Л12 япа. (2.4) Падение напряжения и,б на закрытом тиристоре не изменяется от характера нагрузки и определяется выражением

и,б „вЂ” — ЛУг (2.5)

Чтобы избежать влияния индуктивности нагрузки на время выключения тиристора, в схему УВ (рис. 2.5,а) вводится диод РХ>1. В этом случае процессы, происходящие в схеме УВ, поясняются характерными эпюрами, представленными на рис. 2.7,б. На интервале времени О...в~, тиристоры закрыты, а энергия, накопленная в индуктивности 1,„нагрузки, разряжается на диод И)1. Так как диод на данном участке шунтирует нагрузку, то напряжение на нагрузке минимально и определяется падением напряжения на дифференциальном сопротивлении диода ИЭ1. В момент времени в~~ на управляющий электрод тиристора Ю1 поступает управляющий сигнал иуь который и включает тиристор КП, при этом угол управления равен а. Напряжение на нагрузке при этом скачком изменяется до значения и2ь Тири- стор Ю2 закрыт, так как на его аноде присутствует отрицательное напряжение. На интервале времени в~~...а~г управляющий импульс иу, отсутствует, при этом тиристор Ю1 продолжает оставаться открытым, падение напряжения на нем минимально и определяется внутренним дифференциальным сопротивлением тиристора. Через нагрузку и тиристор КП течет ток 1~~. Напряжение на нагрузке определяется напряжением и2ь при этом форма напряжения ид сохраняется. В момент времени в~~ сетевое напряжение изменяет знак. К тиристору Ю1 прикладывается обратное напряжение и тиристор закрывается. Тиристор Ю2 еще не открыт. На интервале времени

ot_030

Распознанный текст из изображения:

60

со1~...со~з к аноду тиристора КУ1 приложена отрицательная полуволна напряжения ид. Оба тиристора закрьггы, а напряжение на нагрузке отсутствует, так как энергия, накопленная в индуктивности Л„нагрузки, разряжается на диод Л)1, то есть диод шунтирует нагрузку. В момент времени со~з на управляющий электрод тиристора Ю2 поступает управляющий импульс иу~ и тиристор Ю2 открывается. Напряжение на нагрузке и на тиристоре Ю1 изменяется скачком. На интервале времени в1з...сМ4 управляющий импульс и~~ отсутствует, а тиристор Л2 при этом продолжает оставаться открытым. Следовательно, падение напряжения на тиристоре Ю2 минимально и определяется его внутренним сопротивлением. Через нагрузку и тиристор Ю2 течет ток ~2~. Напряжение на нагрузке определяется напряжением и22, при этом форма напряжения и22 не изменяется. К тиристору ~'51 прикладывается обратное напряжение, равное суммарному напряжению и2 + игг. В момент времени ~4 сетевое напряжение изменяет свой знак. Тиристор Ю2 закрывается, а через диод начинает течь ток разряда Л„и все процессы в УВ повторяются.

Таким образом, в рассматриваемом режиме работы УВ мгновенное падение напряжения на нагрузке будет изменяться так же, как и в УВ, работающем на активную нагрузку (рис. 2.5). При этом зависимость среднего выпрямленного напряжения С1ц на нагрузке от угла управления а определяется формулой (2.2).

2.2.2. В соответствии с формулой (2.1) рассчитать амплитуду первой гармоники напряжения на нагрузке, если измеренное осциллографом максимальное напряжение на нагрузке равно 10 В. Угол управления равен 45 .

2.2.3. В соответствии с формулой (2.2) рассчитать и построить регулировочные характеристики Уо =1(а) при Ув = 10 В и а = Оо, 20, 60, 90, 120, 160 180 .

2.2.4. В соответствии с формулой (2.3) рассчитать и построить регулировочные характеристики Ур =1(а) при Уо = 10 В и а = О, 20, 60, 90, 120, 160 и 180 .

Зависимости по п. 2.2.3 и п. 2.2.4 следует представить в безразмерном виде, то есть необходимо регулировочные характеристики пронормировать на значение Уо (использовать по оси ор-

61 ;ринат функцию Ув /Уо). Если строить регулировочные характеристики в безразмерном виде, то не нужно задавать Ув. ~.3. Программа экспериментального исследования 2.3.1. Ознакомьтесь с лабораторным стендом и внесите в таблицу, аналогичную табл. 1.2, основные технические параметры приборов стенда. 2.3.2. Исследование регулировочной характеристики управляемого выпрямителя при активном характере нагрузки

Для получения регулировочной характеристики управляемого выпрямителя, то есть зависимости среднего выпрямленного напряжения Ь'О от угла регулирования (управления) а, при активном характере нагрузки (нагрузка представлена резистором Я„) используйте стенд, схема которого приведена на рис. 2.8. Рис. 2.8. Схема лабораторного стенда двухполупериодного .управляемого выпрямителя, построенного по схеме со средней точкой со средней точкой

Включите тумблер 5А1, при этом дроссель 1,1 будет закорочен. Установите среднее значение сопротивления нагрузки Я„. Затем установите с помощью блока управления управляющее напряжение, подаваемое одновременно на тиристоры Ю1 и Ю2, а затем, с помощью регулятора в БУ изменяя угол регулирования

ot_031

Распознанный текст из изображения:

62

а, измерьте напряжение Уо (вольтметром Р71) и ток 1О (амперметром РА1) и внесите полученные данные в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Протокол исследования регулировочных характеристик управляемого выпрямителя при активном и активно-индуктивном характере нагрузки

Подключив к гнездам Х51 и Х52 осциллограф, зарисуйте осциллограмму мгновенного выпрямленного напряжения на нагрузке при углах регулирования 45О, 90 и 135 .

2.3.3. Иссле дование регулировочнои характеристики управляемого выпрямителя при активно-индуктивном характере нагрузки

Для измерения регулировочной характеристики УВ при активно-индуктивном характере нагрузки (нагрузка представлена последовательно соединенными резис Я„

тором „и дросселем 1,1) выключите тумблер ЯА1 и установите то же значение нагрузки, что было использовано в п. 2.3.2. 3 атем, изменяя угол регулирования от 15 до 90, измерьте напряжение Ур и ток 1О и полученные данные занесите в табл. 2.1. Подключая к гнездам Х5'1 и Х52 осциллограф, зарисуйте осциллограммы мгновенного выпрямленного напряжения на нагрузке при углах управления 30, 45 и 60 .

2.3.4. И

...Исследование нагрузочных характеристик управляемого выпрямителя при активном и активно-индуктивном хара

рактере нагрузок.

Исследование нагрузочных характеристик необходимо выполнить для двух видов нагрузки: активной и активно- индуктивной. При этом для каждого вида нагр

агрузки задать три значения угла управления. В каждом опыте сделать 8...10 замеров величин тока и напряжения при соответствующем значении сопротивления нагрузочного резистора.

Полученные данные занесите в табл. 2.2.

63

3.4. Обработка результатов измерений

2.4.1. В связи с тем, что среднее выпрямленное напряжение Уо

при угле управления, равном нулю, непосредственно в данном лабораторном стенде управляемого выпрямителя не измеряется, то значение Уо можно определить следующим образом. Зная Ур для угла управления, например 15 градусов, по формуле (2.2)

о

для активной нагрузки или по формуле (2.3) для активно- индуктивной нагрузки можно вычислить искомую величину.

2.4.2. На графике регулировочных характеристик нанесите нормированные экспериментальные данные. Затем выполните аппроксимацию этих данных по методу наименьших квадратов и на том же графике нанесите аппроксимированные зависимости регулировочных характеристик.

Таблица 2.2 Протокол исследования нагрузочных характеристик управляемого выпрямителя при активном и активно-индуктивном характе-

2.4.3. При построении нагрузочных характеристик нанесите экспериментальные данные, выполните аппроксимацию этих данных по МНК и на том же графике нанесите аппроксимированные зависимости нагрузочных характеристик.

2.4.4. По графику аппроксимированной нагрузочной характеристике

ot_032

Распознанный текст из изображения:

64

определите внутреннее сопротивление управляемого выпрямителя Я;

2.5. Отчет по лабораторной работе

При оформлении отчета по лабораторной работе используйте методические указания по расчету параметров электропреобразовательных устройств и предварительной подготовке к выполнению лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР

НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

НА МИКРОСХЕМЕ К142ЕНЗ

3.1. Цель работы

Изучение принципа действия и схемотехники компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием, построенного на интегральной микросхеме К142ЕНЗ, а также экспериментальное исследование его основных характеристик и параметров.

3.2. Предварительная подготовка

3.2.1. По литературным источникам, например, [1...10], ознакомьтесь с принципом действия компенсационных стабилизаторов напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием и особенностями построения КСН с использованием интегральных микросхем серии К142ЕН, обратив особое внимание на зависимость его эксплуатационных характеристик от навесных элементов.

В последние годы широкое распространение получили интегральные стабилизаторы напряжения. Источники питания на их основе отличаются малым числом дополнительных деталей, невысокой стоимостью и хорошими техническими характеристиками. Появилась возможность снабдить каждую плату сложного устройства собственным стабилизатором напряжения, а значит, использовать для питания устройства общий нестабилизированный ИВЭ. Это значительно повысило надежность таких устройств (выход из строя одного СН приводит к отказу только того блока, который к

65

нему подключен), во многом сняло проблему борьбы с наводками на длинные провода питания и импульсными помехами, порожденными переходными процессами в этих цепях.

Существует достаточно широкий ассортимент отечественных и зарубежных микросхем, которые отвечают практически на любые запросы разработчика ИСН радиоэлектронной аппаратуры (6, 7]. Возможность выбора среди отечественных микросхем гораздо меньше. Корпус микросхем выполняется либо из металло- керамики, либо из пластмассы, при этом выводы микросхемы могут быть выполнены либо в виде пластин, предназначенных для распаивания микросхемы на одной поверхности печатной платы, либо в виде штырьков, предназначенных для распаивания микросхемы на двух поверхностях печатной платы. Кроме того, микросхемы могут быть выполнены для коммерческого, промышленного и специального применения. Последние отличаются, как правило, соответствующим увеличением рабочего температурного диапазона, что повышает стоимость микросхемы. Для СН были разработаны отечественные микросхемы серии 142ЕН, которые содержат только активную часть, а все реактивные элементы выведены за пределы микросхемы. Общие параметры источников вторичного электропитания в значительной степени определяются внешними (навесными) реактивными элементами (трансформатором, конденсатором, дросселем) и силовым (регулирующим) элементом (транзистором, тиристором).

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент микросхем серий 142, К142 и КР142. Эти микросхемы являются аналоговыми. Поэтому их условное графическое обозначение на принципиальных электрических схемах указывается символом ЮА1 (Р— обозначение элемента, конструктивно оформленного в виде микросхемы, А — микросхема аналогового типа, 1— порядковый номер микросхемы в данной принципиальной схеме). В состав микросхем серий 142, К142 и КР входят стабилизаторы с регулирующим транзистором, включенным в плюсовой провод выходной цепи, и регулируемым выходным напряжением (К142ЕН1 ... К142ЕН4, КР142ЕН1 ... КР142ЕН4), то же, но с фиксированным выходным напряжением (142ЕН5, 142ЕН8, 142ЕН9,

ot_033

Распознанный текст из изображения:

67

66

Вых

Кор 2

Кор 1

Вх

ВхУЗ 1

Вх ОС

Вх У32

Оби1

К142ЕН8, К142ЕН9, КР142ЕН5, КР142ЕН8, КР142ЕН9), двуполярные с фиксированным выходным напряжением (142ЕН6, К142ЕН6), стабилизаторы с регулирующим элементом в минусовом проводе и регулируемым выходным напряжением (142ЕН10, 142ЕН11) и микросхема управления КСН с ИР (142ЕП1).

Интегральная микросхема К142ЕНЗ представляет собой стабилизатор напряжения с регулируемым выходным напряжением. Конструктивно микросхема оформлена в прямоугольном металлокерамическом корпусе 4116.8-2 с восемью пластинчатыми выводами (рис. 3.1). Толщина корпуса микросхемы составляет 2,9 мм, а масса — не более 3 грамм.

9,5 20то Ф29

Рис. 3.1. Корпус микросхемы К142ЕН3

Каждому выводу микросхемы присвоен условный номер, но на корпусе есть только метка, указывающая начало отсчета выводов. Для отвода тепла и крепления микросхемы предусмотрен специальный фланец с двумя крепежными отверстиями: с фланцем электрически соединен вывод 8, являющийся общим. Назначение других выводов: 15 — вход, 13 — выход, 11 и 17 — коррекция, 2 — вход системы защиты, 4 — вход сигнала обратной связи, 6 — цепь выключения.

Микросхемы серии К142ЕНЗ имеют следующие параметры:

диапазон регулировки выходного напряжения, В....З...ЗО;

диапазон входных напряжений, В. 9 .45;

диапазон рабочих температур, С,

о

коммерческие (с буквами КР)................-10...+85, промышленные (с буквой К).................- 40...+85, специальные (без букв перед 142)..........-60...+125;

минимальное напряжение вход — выход, В..................З;

максимальный выходной ток, А. .1;

максимальная мощность рассеивания, Вт......................4.

Минимальная наработка на отказ составляет 50 тыс. часов, а сохраняемость — 25 лет.

Принципиальная схема микросхемы приведена в справочниках, например [6]. На рис. 3.2 показана лишь структурная схема микросхемы 142ЕНЗ, где жирной линией выделена общая шина питания.

Оби1 Рис. 3.2. Схема структурная микросхемы 142ЕН3

Из рис. 3.2 видно, что микросхема 142ЕНЗ содержит следующие узлы: РЭ вЂ” регулирующий элемент (составной силовой транзистор), УПТ вЂ” усилитель постоянного тока (группа транзисторов, управляющих работой РЭ по сигналам обратной связи и средств защиты), СУ вЂ” сравнивающее устройство (обеспечивает анализ сигнала обратной связи по отношению к опорному (эталонному) напряжению, вырабатываемому в самой микросхеме), У31 — устройство защиты микросхемы от короткого замыкания

ot_034

Распознанный текст из изображения:

68

на выходе микросхемы, У32 — устройство тепловой защиты микросхемы, ИЭН вЂ” источник эталонного напряжения.

Принцип действия КСН с НР на микросхеме К142ЕНЗ состоит в следующем. Входное напряжение поступает на контакты 15 и 8 микросхемы, причем к контакту 15 подключают положительный полюс входного напряжения, а к контакту 8 - отрицательный полюс входного напряжения. Входное напряжение через регулирующий элемент РЭ поступает на выход микросхемы (контакт 13). Управление работой РЭ осуществляется по трем каналам: основному (канал обратной связи), защиты от короткого замыкания и тепловой защиты.

Основной канал управления образуется сравнивающим устройством и источником эталонного напряжения. Разностный сигнал, полученный на СУ в результате сравнения сигналов обратной связи, поступающего на вход обратной связи Вх ОС (контакт 4), и опорного напряжения, поступающего с ИЭН, передается на УПТ, где усиливается и используется РЭ в качестве управляющего напряжения. Регулирующий элемент отрабатывает (уменьшает по абсолютной величине) разностный сигнал до тех пор, пока данный сигнал примет минимальное значение, которое в пределе стремится к нулю.

Второй канал управления РЭ образуется устройством защиты У31, которое реагирует на изменение тока в нагрузке по величине напряжения, поступающего на вход 2. Если сигнал, поступающий на вход защиты от короткого замыкания Вх У31 (контакт 2), превышает пороговое значение (заложенное в схеме при разработке) напряжения, то регулирующий элемент закрывается и ток в нагрузку не поступает.

Третий канал управления РЭ образуется устройством защиты У32. В этом случае РЭ реагирует на изменение температуры корпуса микросхемы. Температурный режим, а также включение и выключение микросхемы осуществляется через вход температурной защиты Вх У32 (контакт 6). Если температура корпуса микросхемы превышает пороговое значение (заложенное в схеме при разработке) температуры, то регулирующий элемент закрывается и энергия в нагрузку не поступает.

69

Для того чтобы микросхема К142ЕНЗ реализовалась в качестве стабилизатора напряжения постоянного тока необходимо контакты микросхемы соединить с навесными элементами, находящимися вне корпуса микросхемы. На рис. 3.3 приведена наиболее распространенная принципиальная схема включения микросхемы К142ЕНЗ.

Из рис. 3.3 видно, что входное напряжение У„, поступает на контакты микросхемы 15 и 8 ((+) - на контакт 15, а (-) - на контакт 8, который является общим для всей схемы стабилизатора). На основной канал микросхемы (контакт 4) поступает напряжение обратной связи с измерительного устройства образованного резисторами Я4...Яб, величина которых определяется из соотношения У„(Я4+ А5+ Яб)

Дб где У„= (2,60 ~ 0,26)  — напряжение обратной связи, подаваемое на контакт 4 микросхемы ЮА1, А4 = Я5 l (2...10) — ограничивающий резистор. Рис. З.З. Схема принципиальная включения микросхемы К142ЕНЗ вКСНсНР

На вход канала защиты микросхемы от короткого замыкания по выходу (контакт 2) поступает падение напряжения на резисторе ЯЗ. Величина этого напряжения увеличивается с ростом

ot_035

Распознанный текст из изображения:

70

71

рас тах

Вт

гст„рп — б,б5

Ы=1ОО

~-о,4гкт,...

(3.3)

80 120;Г, С

корп'

тока, протекающего через резистор АЗ. Пороговое падение напряжения на контакте 2 микросхемы 1.гА1 определяется величиной сопротивления резистора АЗ, значение которого определяется по имеющейся [7] формуле

АЗ М '~ 0 023 Явх ~~вых )

(3.2)

пор

где М =1,25В и Ж=0,5 1па - величины„определяемые парамет-

1 25~ тах рас

рами микросхемы, 1па - пороговый выходной ток,

~' вх ~' вьи

при котором срабатывает схема защиты. Обычно пороговый выходной ток в два раза должен превышать ток нагрузки.

Канал тепловой защиты микросхемы (контакт 6) используется для регулирования порога срабатывания тепловой защиты, встроенной в микросхему. Пороговое значение напряжения на контакте 6 микросхемы ЮА1 определяется сопротивлением резистора А2, значение которого определяется по имеющейся в [7] формуле

где 1 = 0,037[1/К~ — температурный коэффициент; Т„р, — температура [вС] корпуса, при которой происходит срабатывание тепловой защиты.

Моментом выключения тепловой защиты можно управлять, если в схему стабилизатора ввести резистор А1, при этом на вход управления У „„можно подавать как постоянное напряжение, так и импульсное. При этом величина напряжения управления г.У

упр.

определяется сопротивлением резистора А1, рассчитываемым по формуле

1У „р А2(1+ 0,4А2) — А2(1,8+ 0,5А2)]

[1,8+ А2(1,2+ 0,2А2)]

где Уу.„р — амплитуда управляющего напряжения выключения тепловой защиты, значение которого выбирается в диапазоне (0,90 ... 40) В.

Если защита от перегрузки гю току не используется, то ре-

зистор АЗ должен быть замкнут. Конденсатор С2 является корректирующим и имеет емкость не менее 4700 пФ. Фильтрующие конденсаторы С1, СЗ и С4 обеспечивают устойчивую работу стабилизатора. Конденсатор СЗ должен быть высокочастотным емкостью не менее 0,1 мкФ, а емкость конденсаторов С1 и С4 — не менее 2,2мкФ. Если микросхему располагают в непосредственной близости от выпрямителя и нагрузки, то конденсаторы С1 и С4 можно не устанавливать. Зависимость максимальной рассеиваемой мощности Р „, от температуры корпуса Т„„микросхемы изображена на рис. 3.4, а семейство нагрузочных характеристик стабилизаторов — на рис. 3.5.

Рис. 3.4. Зависггмость рассеиваемой мощности от температуры

корпуса микросхемы

ot_036

Распознанный текст из изображения:

73

72

5А2

т "2" -З

О5

30

н'

пор

200.икФ х 50В

50мкФ х 50В

Рис. 3.5. Нагрузочные характеристики стабилизаторов

Если микросхема работает без дополнительного теплоотвода (радиатор, тепловая труба), то максимальную рассеиваемую микросхемой мощность определяют по графику (на рис. 3.5 он показан штриховой линией).

Принципиальная схема лабораторного стенда, реализующего компенсационный стабилизатор напряжения постоянного тока с регулируемым выходным напряжением, показана на рис. 3.6. Для исследования коэффициента стабилизации К„выходного напряжения по входному КСН с НР, в схеме использован сетевой трансформатор Т1 с отводами от его вторичной обмотки.

Для образования следящей обратной связи за изменением выходного напряжения на нагрузке использован пассивный измерительный датчик, выполненный на резисторах А4, КР и Я5, где резисторы А4 и А5 предназначены для ограничения регулировочной характеристики, определяемой переменным резистором АР.

Рис. З.б. Схема лабораторного макета, реализующего на микро-

схеме К142ЕН3 компенсаиионный стабилизатор напряжения по-

стоянпого тока с регулируемым выходным напряжением

ot_037

Распознанный текст из изображения:

74

75

Для измерения количественных данных на входе и выходе КСН с НР предназначены измерительные приборы РА1 и РУ1 и РА2 и РУ2, соответственно.

Для более точного анализа входного и выходного напряжения КСН используются контрольные гнезда ХЯ1, Х52 и Х53, ХЯ4, соответственно, к которым можно подключить либо цифровой вольтметр, либо осциллограф.

Принцип действия лабораторного стенда определяется следующим образом.

С помощью тумблера ЯА1 стенд подключается к сети переменного тока промышленной частоты. Сетевой (силовой) трансформатор Т1 понижает напряжение сети до заданного значения, причем напряжение снимаемое с отводов вторичной обмотки с помощью переключателя 5А2 будет изменять свое абсолютное значение.

Диодный мост ~Л1... ПЭ4 выпрямляет сетевое напряжение переменного тока промышленной частоты (частотой 50 Гц), которое затем фильтруется конденсатором С1 и приобретает значение Ь;,. Следует напомнить, что для более качественной фильтрации напряжения конденсатор С1 следует устанавливать как можно ближе ко входу микросхемы. Как было указано ранее, микросхема обеспечивает стабилизацию выходного напряжения, опираясь на информацию, принимаемую по трем каналам.

Основная информация о величине напряжения на нагрузке поступает на микросхему (контакт 4) по цепи обратной связи с измерителя (пассивного делителя напряжения) состоящего из резисторов Я4, К5 и АР. Любое изменение напряжения на выходе стабилизатора по цепи обратной связи поступает на вход 4 микросхемы, где отслеживается и регулируется силовым транзистором. При этом любому увеличению напряжения на нагрузке ставится в соответствие увеличение напряжения между контактами 13 и 15, и наоборот, любому уменьшению напряжения на нагрузке ставится в соответствие уменьшение напряжения между контактами 13 и 15. Так обеспечивается компенсация изменения напряжения на нагрузке.

Если в нагрузке возникает режим короткого замыкания или

ток нагрузки значительно увеличится относительно максимального, то падение напряжения на резисторе Я2 также увеличивается и когда величина напряжения на резисторе Я2 превысит порог включения защиты микросхемы, силовой транзистор микросхемы закроется. При этом все входное напряжение стабилизатора будет приложено к контактам 13 и 15, а ток в нагрузке будет минимальным.

Резистор ЯЗ обеспечивает работу микросхемы до тех пор, пока температура корпуса микросхемы не увеличится до заданной величины, определяемой по формуле (3.3). Если температура корпуса возрастет еще выше, то в микросхеме включатся средства тепловой защиты, силовой транзистор закроется, а ток нагрузки минимизируется. По мере охлаждения корпуса средства тепловой защиты выключаются и рабочий режим КСН с НР восстанавливается. На выходе микросхемы установлены конденсаторы СЗ и С4, которые выполняют функцию фильтра. Конденсатор СЗ фильтрует переменную составляющую выходного напряжения, обусловленную сетевым напряжением, а конденсатор С4 фильтрует высокочастотную составляющую выходного напряжения, которая возникает за счет паводок от внешних устройств.

3.2.2. В соответствии с формулой ~3.1) рассчитать номиналы всех резисторов, входящих в формулу (3.1), если Я5 = 1,5 кОм.

3.2.3. В соответствии с формулой (3.2) рассчитать величину сопротивления резистора АЗ (использовать технические параметры микросхемы К142ЕНЗ).

3.2.4. В соответствии с формулой ~3.3) рассчитать величину сопротивления резистора Я2, если температура корпуса Т„~„микросхемы на момент срабатывания средств тепловой защиты равна 100 С.

З.З.Программа экспериментального исследования

3.3.1. Ознакомьтесь со схемой лабораторного стенда, реализующего компенсационный стабилизатор напряжения постоянного тока с регулируемым выходным напряжением (рис. 3.6).

3.3.2. Составьте таблицу основных технических параметров приборов экспериментального стенда (по аналогии с табл. 1.2).

ot_038

Распознанный текст из изображения:

76

77

3.3.3. Исследование нагрузочных характеристик мостового выпрямителя и компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока

Для двух значений стабилизированного выходного напряжения КСН, устанавливаемых потенциометром НР, исследуйте нагрузочную характеристику мостового выпрямителя (при этом переключатель 5А2 установите в среднее положение). Экспериментальные значения напряжений и токов занесите в табл. 3.1.

В табл. 3.1 приняты следующие обозначения: У~ - среднее выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя (измеряется вольтметром РИ), 1Π— средний выпрямленный ток на выходе выпрямителя (измеряется амперметром РА1).

Таблица 3.1

Аналогично, для двух значений стабилизированного выходного напряжения КСН, устанавливаемых потенциометром ЯР, исследуйте нагрузочную характеристику КСН (при этом переключатель ЯА2 установите в среднее положение). Экспериментальные значения напряжений и токов занесите в табл. 3.2, где приняты следующие обозначения С~„,„— выходное напряжение КСН (измеряется вольтметром РУ2), 1„— выходной ток КСН (измеряется амперметром РА2).

Таблица 3.2

По результатам измерений, представленных в табл. 3.1 и табл. 3.2, постройте соответствующие зависимости. Затем выберите функцию для аппроксимации экспериментальных данных, например, полином первой степени и определите с помощью метода наименьших квадратов соответствующие коэффициенты уравнения аппроксимации.

По нагрузочной характеристике, построенной с помощью уравнения аппроксимации, определите внутреннее сопротивление соответствующего преобразователя, а также коэффициент полезного действия для КСН. 3.3.4. Исследование коэффициента стабилизации выходного напряжения КСН по входному напряжению

Для определения коэффициента стабилизации выходного напряжения КСН по входному напряжению К„необходимо при постоянном токе нагрузки 1„измерить напряжение на входе У,„ (вольтметр РУ1 или клеммы Х51 и Х52) и выходе У„, (вольтметр РЬ'2 или клеммы ХЬЗ и Х54) компенсационного стабилизатора напряжения. Регулирование входного напряжения КСН можно выполнять переключателем ЯА2.

Изменив потенциометром ЯР величину выходного напряжения КСН, повторите определение К„. Результаты измерений занесите в табл. 3.3.

Таблица 3.3 3.3.5. Установите номинальный режим компенсационного стабилизатора напряжения. Изменяя положение переключателя ЯАЗ, выполните Ж= 10...15 отсчетов выходного напряжения КСН с помощью стрелочного вольтметра РУ2 и цифрового вольтметра, подключаемого к клеммам Х53 и Х54. Результаты измерений занесите в табл. 3.4.

ot_039

Распознанный текст из изображения:

78

Таблица 3.4

Результаты измерений представьте в виде функции У„„= ~Щ, выполните аппроксимацию полученных результатов и определите абсолютную погрешность проведенных измерений. 3.4. Обработка результатов измерений 3.4.1. На основании экспериментальных данных необходимо построить графики характеристик исследованных устройств. На графике вначале надо нанести экспериментальные точки, а затем выполнить аппроксимацию этих экспериментальных точек аналитической функцией, например полиномом первой степени (см. раздел М.1). 3.5. Отчет по лабораторной работе

При оформлении отчета по лабораторной работе используйте методические указания по расчету параметров электропреобразовательных устройств и предварительной подготовке к выполнению лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 4.1. Цель работы

Изучение принципа действия и схемотехники преобразователя постоянного тока (ППТ) с внешним возбуждением, а также экспериментальное исследование его основных характеристик и параметров. 4.2. Предварительнаи подготовка 4.2.1. По литературным источникам, например [1...101, изучите принцип действия преобразователей постоянного тока и схемотехнические решения их практической реализации.

79

ППТ вЂ” это устройства, обеспечивающие преобразование энергии постоянного тока одного напряжения в энергию постоянного тока другого напряжения либо повышающие стабильность постоянного напряжения или тока. К таким устройствам, в частности, относятся стабилизаторы напряжения постоянного тока и преобразователи постоянного тока ~конверторы), представляющие собой последовательное включение инвертора и выпрямителя. Изучению ППИ и посвящена настоящая лабораторная работа.

Развитие современной науки и техники направлено на снижение энергопотребления единицы объема аппаратуры. Создание преобразователей постоянного тока с широким набором выходных напряжений и токов высокого качества достаточно сложная задача. Данную задачу достаточно успешно можно решить применением ППТ с независимым возбуждением. Простота схемного решения и малые массогабаритные параметры являются отличительной особенностью данной группы преобразователей.

Структурная схема преобразователя постоянного тока с независимым возбуждением приведена на рис. 4.1, где приняты следующие обозначения: Ув — входное напряжение постоянного тока ППТ, У, — управляющее напряжение, У -выходное напряжение переменного тока инвертора и У„-выходное напряжение постоянного тока ППТ. Г ~ Инвертор 1 Р'ис. 4.1. Структурная схема преобразователя постоянного тока с независимым возбуждением

ot_040

Распознанный текст из изображения:

80

На рис. 4.1 инвертор, обеспечивающий преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока (как правило, высокой частоты 1'„=10...200 кГц), очерчен штриховой линией. В отдельных инверторах коммутирующий трансформатор отсутствует, так как управление может осуществляться иным способом. Функцию полупроводникового коммутатора выполняет силовая часть ППТ, силовым элементом которой является, как правило, транзистор. Транзистор УТ1 работает в режиме переключения (см. лабораторную работу №1). Генератор является внешним устройством по отношению к инвертору и может генерировать, как монохроматический, так и импульсный сигнал, причем сигнал может быть полярным и униполярным, иметь форму, обеспечивающую наилучший режим коммутации полупроводникового коммутатора. Применение коммутирующего трансформатора обусловлено простотой технического решения, однако индуктивность, которой обладает трансформатор, существенно влияет на параметры инвертора. В некоторых схемах удается избежать применения коммутирующего трансформатора за счет применения иного способа передачи сигнала, например через оптоэлектронную пару. Высокочастотный выпрямитель и фильтр также являются внешними по отношению к инвертору устройствами. Выпрямитель должен быть высокочастотным, так как частота преобразования (коммутации) может достигать нескольких десятков и даже сотен кило герц. Сглаживающий фильтр выбирается из условия качества выпрямленного напряжения и может быть представлен как Г-образной, так и П- образной схемой.

Принцип действия ППТ состоит в следующем. Генератор через коммутирующий трансформатор управляет полупроводниковым коммутатором, который преобразует напряжение питания Уо постоянного тока в импульсное Ь', которое трансформируется силовым выходным трансформатором и подается на высокочастотный выпрямитель. Выпрямленное пульсирующее напряжение с помощью фильтра подвергается сглаживанию до требуемого качества. Силовой выходной трансформатор может иметь отводы, за счет которых формируют напряжения различ-

ных номиналов.

Существует два вида преобразователей постоянного тока с независимым возбуждением: однотактные и двухтактные.

На рис. 4.2 приведена принципиальная схема построения однотактного преобразователя постоянного тока с прямым включением диода.

вью

Рис. 4.2. Принципиальная схема преобразователя постоянного тока с прямым включением диода

Принцип действия однотактного преобразователя постоянного тока с прямым включением диода состоит в следующем. Первичная и вторичная обмотки силового трансформатора Т1 включены согласно (на рис. 4.2 это указано точками, условно обозначающими начало этих обмоток), то есть один и тот же магнитный поток наводит на них ЭДС индукции одинаковой полярности. Внешнее управляющее воздействие Ь' подается на полупроводниковый коммутатор, на выходе которого формируется напряжение пере,Менного тока с частотой 1„= ЧТ, где Т вЂ” период переключения ре,'гулирующего элемента полупроводникового коммутатора.

При открытом и, более того, насыщенном транзисторе ГТ1 ' его рабочая точка на коллекторной характеристике находится в ежиме насыщения) через него и первичную обмотку трансфоратора Т1 течет ток 1,. Этот ток создает магнитный поток, кото-

ot_041

Распознанный текст из изображения:

82

рый наводит на вторичной обмотке трансформатора Т1 ЭДС индукции такой полярности, что через диод И)1 и нагрузку Я„течет ток 111~ ~, величина которого определяется выражением

(фО -0) (4.1)

т'(гт + гв)

где Е~ „— амплитуда ЭДС индукции на вторичной обмотке трансформатора, гт — активное сопротивление трансформатора, ~8 - активное сопротивление фазы выпрямителя, фΠ— тангенс угла отсечки, Π— угол отсечки. Конденсатор С1 заряжается током 1Д~1, пРи этом напРЯжение на нагРУзке У„„х опРеДелЯетсЯ соотношением

(4.2) где созΠ— косинус угла отсечки.

При выключенном транзисторе ГТ1 (его рабочая точка на коллекторной характеристике находится в режиме отсечки) ток коллектора определяется тепловыми процессами. На вторичной обмотке трансформатора ЭДС индукции не наводится, диод И)1 закрыт, а конденсатор С1 разряжается на нагрузку Я„. Падение напряжения на нагрузке при этом определяется выражением

(4.3)

Л„С

где У, „,„— напряжение на нагрузке, когда транзистор ГТ1 закрывается,~рзз — время закрытого состояния транзистора ГТ1, С~ емкость конденсатора С1, включенного параллельно нагрузке А„.

Таким образом, в однотактном ППТ с прямым включением диода (прямоходовой ППТ) энергия от первичного источника энергии передается в нагрузку при открытом и насыщенном регулирующем транзисторе.

Двухтактные схемы построения ППТ разделяются на схемы со средней точкой, мостовые и полумостовые схемы. В соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 4.1. изменение претерпевает только полупроводниковый коммутатор, а все остальные элементы схемы типичны для ППТ с

83 внешним управлением.

На рис. 4.3 приведена принципиальная схема двухтактного ППТ, построенного по схеме со средней точкой. Т вЂ” — э ~

Л Рис. 4.3. Схеча принципиальная двухтактного преобразователя постоянного тока, построенного по схеме со средней точкой

Принцип действия ППТ сводится к обеспечению такого процесса, при котором транзисторы Л1 и УТ2 переключаются попеременно. Пусть генератор формирует и выдает на первичную обмотку трансформатора Т1 сигнал иг. В положительный полупериод на базовых обмотках иБ~ и юд~ наводится ЭДС индукции так, что транзистор УТ1 открывается и насыщается, а транзистор УТ2 закрывается (режим отсечки). Через транзистор УТ1 и обмотку и,ч течет ток ~,~, поддерживаемый током базы 1в~. Ток ~,~, протекающий по обмотке и,~, через электромагнитное поле трансформатора Т2 наводит напряжение на вторичной обмотке и'„, при этом на нагрузке формируется положительная полуволна выходного напряжения. Токи. действующие в схеме на данном полупериоде, обозначены сплошными линиями. В отрицательный полупериод сигнала иг напряжения на базовых полуобмотках иБ, и ивз наводятся так, что транзистор УТ1 переходит в режим отсечки, а транзистор Р'Т2 - в режим насыщения. Через транзистор УТ2 и обмотку и,з течет ток 1,~, поддерживаемый током базы ~~~. Ток 1,~, протекающий по обмотке и,~, через электромагнитное поле трансформатора Т2 наводит ЭДС индукции на вторичной обмотке и„. При этом на нагрузке фор-

ot_042

Распознанный текст из изображения:

84

мируется отрицательная полуволна выходного напряжения. Токи, действующие в схеме на данном полупериоде, обозначены штриховыми линиями. Следует помнить, что переход транзисторов из одного состояния в другое (из режима насыщения в режим отсечки и обратно) осуществляется через активную область. По этой причине возникает такое состояние транзисторов, при котором один транзистор еще не закрылся, а второй транзистор уже открылся. При этом через оба транзистора течет так называемый сквозной ток, который приводит к возникновению помех, как в схеме, так и в окружающем пространстве. Данный эффект устраняется либо введением задержки на включение транзистора, либо путем формирования сигнала иг таким образом, чтобы обеспечить исключение возникновения сквозного тока.

Мостовая схема построения инвертора (рис. 4.4), являющегося определяющим модулем ППТ, содержит четыре транзистора, образующих мост, в одну диагональ которого включено питающее напряжение, а в другую - силовой (выходной) трансформатор.

Принцип действия двухтактного мостового инвертора можно пояснить следующим образом. Пусть генератор формирует и выдает в первичную обмотку трансформатора Т1 сигнал иг. В положительный полупериод на базовых обмотках и~~,

м з, и ~4 и и ~5 наводятся ЭДС индукции такой полярности, что

транзисторы УТ1 и УТ4 открыты и более того насыщены, а транзисторы УТ2 и УТ3 закрыты (их рабочая точка находится в режиме отсечки). Через транзисторы УТ1, УТ4 и обмотку и.~ трансформатора Т2 течет ток 1~ (на рис, 4.4 обозначен сплошной линией). На вторичной обмотке трансформатора Т2 наводится ЭДС индукции таким образом, что на нагрузке Я„формируется напряжение положительной полярности. В отрицательный полупериод управляющего сигнала иг на базовых обмотках и ~2, и дз, и,4 и и ~5 наводится ЭДС так, что транзисторы Ь'Т1 и УТ4 закрываются (их рабочая точка переходит в режим отсечки), а транзисторы УТ2 и УТ3 открываются (их рабочая точка переходит в режим насыщения).

85 Я н

т1 Рис. 4.4. Скема принципиальная двухтактного мостового инвертора

Через транзисторы ГТ2 и ~'ТЗ и обмотку и д трансформатора Т2 течет ток ~~ (на рис. 4.4 обозначен штриховой линией). На вторичной обмотке трансформатора Т2 наводится ЭДС таким образом, что на нагрузке Я„формируется напряжение отрицательной полярности.

В данной схеме также может возникнуть сквозной ток, который следует избегать, применяя выше указанные способы защиты.

Если преобразователь с внешним возбуждением требуется выполнить с выходом на постоянном токе, то согласно рис. 4.1 применяется высокочастотный выпрямитель и сглаживающий

ot_043

Распознанный текст из изображения:

8б фильтр. Если преобразователь требуется выполнить на относительно низкие номиналы напряжений, то выпрямитель, как правило, выполняют по схеме со средней точкой или по мостовой схеме. Если преобразователь требуется выполнить на относительно высокие номиналы напряжений, то выпрямитель, как правило, выполняют по схеме удвоения или умножения напряжения.

Схема двухтактного инвертора с независимым возбуждением, построенного по полумостовой схеме, приведена на рис. 4.5. Рис. 4.5. Принципиальная схема двухтактного инвертора с независимым возбуждением, построенного по полумостовой схеме

Данный инвертор представлен двухтактной полумостовой схемой с внешним возбуждением, где тактирующее напряжение иг поступает от генератора Г через трансформатор Т2. Принцип его действия основан в попеременном включении и выключении транзисторов ГТ1 и РТ2. Пусть в положительный полупериод напряжения иг, форма и энергетические параметры которого определены генератором Г, на вторичных обмотках трансформатора Т2 наводятся такие ЭДС индукции, что транзистор ГТ1 открыт, а транзистор ГТ2 закрыт. Такой режим коммутации возможен за счет ука-

87

занного на рис. 4.5 способа включения вторичных обмоток трансформатора Т2. Способ включения вторичных обмоток трансформатора должен подчинятся правилу включения трансформатора. Правило: если в первичной обмотке ток втекает в начало обмотки, то ток вторичной обмотки должен вытекать из начала обмотки, при этом полярность напряжения на начале вторичной обмотки соответствует полярности напряжения на начале первичной обмотки. При указанном на рис. 4.5 включении трансформатора Т2 на базовых обмотках и~„и и~з наводятся ЭДС так, что потенциал базы транзистора ГТ1 положителен. В базовой цепи транзистора Л'1 течет ток 16 (непрерывная стрелка), а потенциал базы транзистора И2 отрицателен,и в базовой цепи транзистора ГТ2 ток отсутствует. В этом случае транзистор Л'1 открыт (режим насыщения), а транзистор РТ2 закрыт (режим отсечки). При этом через первичную обмотку трансформатора Т1 течет ток ~~ (на рис. 4.5,а обозначен непрерывной стрелкой). Во время протекания тока ~~ по первичной обмотке трансформатора Т1,на вторичной обмотке трансформатора наводится ЭДС индукции, а на нагрузке формируется напряжение положительной полярности. В отрицательный полупериод напряжения иг на вторичных обмотках трансформатора Т2 наводятся ЭДС так, что транзистор Р72 открывается, а транзистор Р7'1 закрывается. На базовых обмотках и~~ и ид наводится ЭДС индукции так, что потенциал базы транзистора РТ2 положителен, и в базовой цепи транзистора РТ2 течет ток 16~ (штриховая стрелка), а потенциал базы транзистора Л'1 отрицателен, и в базовой цепи транзистора Л'1 ток отсутствует. В этом случае транзистор ГТ2 открыт (режим насыщения), а транзистор Л1 закрыт (режим отсечки). При этом через первичную обмотку трансформатора Т1 течет ток ~~ (на рис. 4.5 обозначен штриховой стрелкой). Во время протекания тока 1~ по первичной обмотке трансформатора Т1, на вторичной обмотке трансформатора наводится ЭДС индукции, а на нагрузке формируется напряжение отрицательной полярности. Таким образом, согласно рис. 4.5 можно определить данный инвертор, как усилитель мощности сигнала иг при питающем напряжении Уо.

Для исследования принципа работы инвертора использован лабораторный макет преобразователя постоянного тока, содержа-

ot_044

Распознанный текст из изображения:

88

щего полумостовой инвертор с внешним возбуждением (рис. 4.6), который содержит следующие элементы. В макете использован генератор Г, имеющий собственный усилитель на транзисторах ~'ТЗ и Л4, для питания которого требуется дополнительный стабилизатор напряжения. Стабилизатор содержит компенсационный стабилизатор напряжения с непрерывным регулированием, выполненный на микросхеме 1гА1, и параметрический стабилизатор напряжения, выполненный на стабилитроне ЛЭ5 и резисторе Я1. В этой схеме ПСН используется для повышения выходного напряжения, формируемого микросхемой 1ЭА1. Конденсаторы С1 и С7 применяются в качестве сглаживающих фильтров, уменьшающих величину пульсации питающего пульсирующего напряжения поступающего с выпрямителя, построенного на блоке КЦ405А. Кроме того, конденсатор С1 необходимо использовать для устранения генерации при скачкообразном включении входного напряжения, а конденсатор С7 - для устойчивой работы стабилизатора при изменении тока нагрузки. Обычно конденсаторы выбираются из условия: С1 ~ 2,2 мкФ, а С7 ~ 0,0047 мкФ. Конденсаторы С2 и СЗ согласно рис. 4.6 применяются для развязки токов, текущих в первичной обмотке трансформатора Т2, и являются плечами мостовой схемы, образованной транзисторами УТЗ и 1'Т4 и конденсаторами С2 и СЗ. Конденсаторы С4 и С5 служат для фильтрации высокочастотной составляющей помехи, возникающей при коммутации транзисторов ГТ1 и УТ2. Конденсатор С10 предназначен для селекции постоянной составляющей сигнала, поступающего с выхода усилителя (транзисторы 17ТЗ и Л'4). Постоянная составляющая напряжения, попадая на обмотку трансформатора ТЗ, подмагничивает его магнитопровод, что приводит к искажению сигнала и порождению помех. Конденсаторы П-образного фильтра Сб и С8 замыкают паразитную переменную составляющую выходного напряжения на корпус, а дроссель 1,1 не пропускает паразитную пере- менную составляющую выходного тока в нагрузку. Конденсатор С9 шунтирует высокочастотную составляющую сигнала на корпус.

89

1

ОА1 !

! !

! !

К142ЕН5Б 1'ТЗ

!

!

Я1

, С7'

г

! УТ4 !

С1 1'ь15 !

!

!

! !

!

!

!2 РА1

П31... РЛ4

и!А1

!

КЦ4ОИ 1'Т1 ТЗ',

С2 С4 ' Х5б

!

!

!

! Х81 Т2

С10

!

!ХЬ2 СЗ С5 . Т2

Х87

!

!

! '3

!

! !

!

!

ХЛ'4 хя5

1'Р ф7

! ! !

!

!

Г г ! !

3 ! 5 7

!

ХБЗ РА2

11

! !

РУ1 РУ2

А2

0,5А 0,5А

ЯА! Сб С8 Сд!

! 1

Х89

! яз!

! ! !

=220В

!

Сеть

Рис. 4.6. Принципиальная схема лабораторного макета преобразователя постоянного тока, содержащего полумостовой инвертор с внегиним возбуждением

6

г

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

4.2.2. В соответствии с рис. 4.2 и выражением (4.1) определите ток, текущий через диод ПЭ1. Следует принять, что Е2 = 14 В, "т = 15 Ом, гв = 3 Ом, О = 30 .

о

ot_045

Распознанный текст из изображения:

90

4.2.3. В соответствии с рис. 4.2 и выражением (4.2) определите падение напряжения на нагрузке А„в момент заряда конденсатора С1 (значение параметров использовать из п.4.2.2).

4.2.4. В соответствии с рис. 4.2 и выражением (4.3) определите величину падения напряжения на нагрузке Я„в момент разряда конденсатора С1 (У,„„принять из п.4.2.3), ~~д = 0,1 мкс, Я„= 200 Ом, С1 = 10 мкФ).

4.3. Программа экспериментального исследования

4.3.1. Ознакомьтесь с лабораторным макетом, реализующим преобразователь постоянного тока, содержащим инвертор с внешним возбуждением (рис. 4.6).

Лабораторный макет ППТ содержит следующие функциональные электрические блоки:

1 — сетевой выпрямитель, построенный по мостовой схеме;

2 — инвертор напряжения с внешним возбуждением, построенныи по полумостовой схеме;

3 — высокочастотный выпрямитель с нулевым выводом;

4 — дополнительный стабилизатор напряжения, реализованныи на микросхеме К142ЕН5Б;

5 — сглаживающий П-образный 1,С-фильтр;

6 — блок управления силовыми транзисторами инвертора;

7 — нагрузку.

4.3.2. Запишите в таблицу, аналогичную табл. 1.2, основные технические параметры измерительных приборов, входящих в экспериментальный стенд.

4.3.3. Исследование работы преобразователя постоянного тока

На лицевой панели лабораторного макета преобразователя постоянного тока выведены контрольные гнезда Х51 ... Х59. Наидите на макете расположение этих гнезд и сверьте указанные там обозначения с обозначениями на принципиальной схеме (рис. 4.6). Подключая к соответствующим контрольным гнездам осциллограф, проанализируйте и зарисуйте диаграммы напряжений на выходе сетевого выпрямителя, то есть на входе инвертора (контрольные гнезда ХИ и Хэ2), на первичной обмотке коммутирующего трансформатора ТЗ (контрольные гнезда Х5б и Х57), на

91

вторичных полуобмотках силового трансформатора Т2 (контрольные гнезда ХЯЗ и Х54, а также Х53 и Х55) и на выходе сглаживающего фильтра (контрольные гнезда Х58 и Х59).

Характерные диаграммы напряжений в различных точках преобразователя постоянного тока исследуйте для трех частот коммутации силовых транзисторов УТ1 и ГТ2, устанавливаемых задающим генератором.

4.3.4. Исследование нагрузочной характеристики преобразователя постоянного тока

Для измерения выходного напряжения преобразователя постоянного тока необходимо к контрольным гнездам ХЯ8 и Х59 подключить цифровой вольтметр типа Щ4313.

Ток нагрузки преобразователя постоянного напряжения следует измерять аналоговым миллиамперметром тА2, встроенным в лабораторный макет.

При выполнении опытов пределы измерения ИП надо выбирать такие, чтобы определяемая величина была как можно ближе к концу шкалы (в этом случае погрешность измерения будет меньше). Записывая результаты соответствующих отсчетов, следует сохранять все цифры, индицируемые на шкале измерительного прибора.

Полученные экспериментальные данные напряжения и тока (не менее 10 пар для каждой из трех частот, устанавливаемых задающим генератором) занесите в табл. 4.1, а затем нанесите на миллиметровую бумагу. Выбор масштаба по осям координат следует проводить таким образом, чтобы угол наклона графика был примерно равен 45 градусов. После чего выберите функцию для аппроксимации экспериментальных данных, например, полином первой степени и определите с помощью метода наименьших квадратов соответствующие ко' эффициенты аппроксимации.

Найденные таким образом аналитические зависимости У,„„= ~(1~ и будут искомыми нагрузочными характеристиками преобразователя постоянного тока.

По нагрузочным характеристикам рассчитайте внутреннее сопротивление Я; преобразователя постоянного тока.

ot_046

Распознанный текст из изображения:

92 Таблица 4.1 навливаемого с помощью генератора и контролируемого с помощью осциллографа на гнездах ХЯб и Х57, измерьте входное напряжение У~ на гнездах ХИ и ХЯ2 и входной ток 1О прибором тА1, затем выходное напряжение У,„, на гнездах Х58 и ХЯ9 и выходной ток 1„прибором тА2. Результаты измерений занесите в табл. 4.3.

Коэффициент полезного действия — это величина, определяемая отношением выходной активной мощности к входной активной мощности.

Таблица 4.3

4.3.5. Исследование нагрузочной характеристики сетевого выпрямителя

По аналогии с п. 4.3.4 выполните исследование нагрузочной характеристики сетевого выпрямителя Ур =~(1О), где Уо — среднее выпрямленное напряжение (контрольные гнезда Х51 и Х52), 10— средний выпрямленный ток (измеряется миллиамперметром тА1, имеющимся в лабораторном макете).

Полученные экспериментальные данные напряжения Уо и тока 1р (не менее 10 пар) занесите в табл. 4.2, а также нанесите на миллиметровую бумагу. По нагрузочной характеристике рассчитайте внутреннее сопротивление А; сетевого выпрямителя.

Таблица 4.2

4.3.6. Исследование коэффициента полезного действия преобразователя постоянного тока

Для нескольких частот коммутирующего напряжения, уста-

4.4. Отчет по лабораторной работе

При оформлении отчета по лабораторной работе используйте методические указания по расчету параметров электропреобразовательных устройств и предварительной подготовке к выполнению лабораторных работ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА,

СОДЕРЖАЩИЙ ИНВЕРТОР С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

5.1. Цель работы

Изучение принципа действия и схемотехники преобразователя постоянного тока, содержащего либо инвертор с насыщающимся силовым трансформатором, либо инвертор с коммутирующим трансформатором, а также экспериментальное исследование его основных характеристик и параметров.

5.2. Предварительная подготовка

5.2.1. По литературным источникам, например ~1...5~, ознакомь-

Картинка-подпись
Хочешь зарабатывать на СтудИзбе больше 10к рублей в месяц? Научу бесплатно!
Начать зарабатывать

Комментарии

Поделитесь ссылкой:
Рейтинг-
0
0
0
0
0
Поделитесь ссылкой:
Сопутствующие материалы
Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Нашёл ошибку?
Или хочешь предложить что-то улучшить на этой странице? Напиши об этом и получи бонус!
Бонус рассчитывается индивидуально в каждом случае и может быть в виде баллов или бесплатной услуги от студизбы.
Предложить исправление
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5076
Авторов
на СтудИзбе
455
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее