Приложение

а б

Рисунок 2.1. Вольт-амперная характеристика стабилитронов:

а) вольт-амперная характеристика стабилитрона с малыми измерениями напряжения на его зажимах при значительном изменении тока, протекающего через него;

б) вольт-амперная характеристика стабилитрона с малыми измерениями тока при значительном изменении напряжения на его зажимах.

Рисунок 2.2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на опорном диоде

а б

Рисунок 2.3. Схемы компенсационных стабилизаторов напряжения:

а) с последовательным включением регулирующего элемента (РЭ);

б) регулирующим элементом, включённым параллельно с нагрузкой;

Рисунок 2.4. Схема компенсационного стабилитрона напряжения

Рисунок 2.5. Вольт – амперная характеристика стабилизатора на опорном диоде

Рисунок 2.6. Каскадная схема стабилизатора

Р исунок 2.7. Компенсационный стабилизатор напряжения

Лабораторная работа №7 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1.Цель работы

Цель лабораторной работы заключается в том, чтобы ознако­мить студентов с устройством и принципом работы статических прео­бразователей постоянного напряжения; определить основные парамет­ры полупроводникового и тиристорного преобразователей напряжения и их зависимость от питающего напряжения и нагрузки, просмотреть осциллограммы в различных точках схемы и дать им физическое объ­яснение.

2. Задание

1. Изучить принцип действия полупроводниковых и тиристорных преобразователей напряжения.

2. Исследовать зависимость параметров полупроводникового и ти­ристориого преобразователей напряжения от положения напряжения сети и величины нагрузки.

3. Зарисовать осциллограммы напряжения в различных точках, ис­следуемых схем.

3. Основные теоретические сведения и соотношения

Статическими преобразователями постоянного напряжения называются устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное(ин­ верторы) или постоянное напряжение одного номинала в постоянное напряжения других номиналов(конверторы).

Статические преобразователи выполняются на транзисторах или ти­ристорах и отличаются от механических преобразователей(электрические машины, вибропреобразователи, умформеры) бесшумны, имеют незначи­тельный вес и габариты, большой КПД и высокую надёжность в работе.

Транзисторные преобразователи постоянного напряжения выполняются по одно- и двухтактной схемах, с самовозбуждением (автогенераторы) и независимым возбуждением (усилители мощности).

Источники электропитания, в которых применяются статические преобразователи, в технической литературе называют импульсными блоками питания. Последние нашли широкое применение в радио и телевизионных приёмниках, в персональных ЭВМ, АТС.

3,1. Однотактные преобразователи

Простейшая схема однотактного автогенератора приведена на рисунок 3.1 0на представляет собой релаксационный генератор с трансформа­торной обратной связью, выполненной на транзисторе VT, b коллек­торную цепь которого включен трансформатор, через первичную обмот­ку которого подключено постоянное напряжение источника питания . Начало обмоток трансформатора отмечено точкой, а цифрами I и 2-выводы вторичной обмотки, к которым подключается выпрямительный диод. Форма тока в цепи коллектора транзистора VT зависит от по­лярности включения выпрямительного диода, эти зависимости показаны на рисунок 3.1а и 3,1б.

Error: Reference source not found Error: Reference source not found

При подключении напряжения питания через резистор Р на базу транзистора VT подаётся отпирающий потенциал. Транзистор от­крывается и через первичную обмотку Wk трансформатора протекает ток, который вызывает нарастание магнитного потока в магнитопроводе трансформатора. Появляющееся при этом напряжение на обмотке Wk трансформируется в обмотку положительной обратной связи, что способствует полному открытию транзистора. Когда ток коллектора достигнет своего максимального значения

нарастание магнитного потока в трансформаторе прекращается, поляр­ность напряжения на обмотках трансформатора изменяется на обрат­ную, что приводит к лавинообразному запиранию транзистора. Напряже­ние во вторичной обмотке трансформатора имеет прямоугольную форму.

Способ передачи напряжения в нагрузку зависит от полярности подключения диода ко вторичной обмотке трансформатора.

В преобразователе с обратным включением диода(рисунок 3.1. а) при открытом транзисторе VT к первичной обмотке трансформатора приложено напряжение питания и во вторичную обмотку трансфор­мируется импульс напряжения длительностью u . Однако включен­ный в обратном направлении диод VД1 в это время закрыт и нагруз­ка отключена.

Когда транзистор VT закрывается ( ) полярность на всех обмотках трансформатора изменяется на обратную, диод VД1 откры­вается, и выпрямленное напряжение прикладывается к нагрузке .

При следующем цикле, когда VT открывается, а диод VДI запи­рается, конденсатор Сф разряжается на нагрузку , обеспечивая про­текание постоянного тока . Индуктивность вторичной обмотки трансформатора при этом играет роль дросселя сглаживающего фильт­ра.

При прямом включении диода (рисунок 3.1. б) передача энергии ис­точника питания в нагрузку происходит в момент u , когда силовой транзистор VT и диод VД1 открыты. Выпрямленный ток IU про­текает в нагрузку через дроссель фильтра , запасая в нём энергию

Конденсатор сглаживающего фильтра при этом заряжается выпрям­ленным напряжением до .

В течении паузы ,когда VT закрыт, дроссель отдает за­пасенную энергии в нагрузку. Цепь тока замыкается через дрос­сель и блокирующий диод VД2, как и в импульсном стабилизато­ре с последовательным регулирующим транзистором. Из-за неравен­ства времени протекания тока через первичную обмотку трансфор­матор работает в режиме подмагничивания, что приводит к уменьшению коэффициента использования трансформа­тора.

Устранение подмагничивания магнитопровода в однотактных преобразователях достигается включением параллельно пе­рвичной обмотке Wk блокировочного конденсатора , когда VT закрывается, конденсатор разряжается через Wk ,произведя перемагничивание магнитопровода.

Выходное напряжение в однотактном автогенераторе определяет­ся по формуле:

Длительность импульса и паузы

Стабилизация выходного напряжения в однотактном автогенераторе чаще всего осуществляется за счёт изменения ,определяемого током базы транзистора. Для этого в преобразователь вводится цепь обратной связи, которая следит за выходным напряжением и при его изменении соответствующим образом изменяет ток базы и транзистора.

3.2. Двухтактный преобразователь

На рисунок 3.2. приведена принципиальная схема двухтактного преобра­зователя с самовозбуждением, исследуемая в данной лабораторной работе. Преобразователь содержит трансформатор, магнитопровод который выполнен из материала с прямоугольной петлёй гистерезиса, и два транзистора, работающих в ключевом режиме. При подключении преобразователя к источнику постоянного напряжения через резис­тор и обмотки обратной связи протекают базовые токи транзисто­ров, достаточные для надёжного запуска преобразователя. Из-за неидентичности параметров транзисторов их коллекторные то­ки окажутся различными, а следовательно результирующая намагничивающая сила в обмотках трансформатора не будет равна нулю.

В магнитопроводе трансформатора создаётся магнитный поток, который индуцирует в обмотках обратной связи ЭДС такой полярности, что развивается лавинообразный процесс, приводящий к насыщению транзистора с большим начальным коллекторным током(например VT1) и запиранию транзистора( VT2) с меньшим коллекторным током. В результате этого лавинообразного процесса коллекторная полуобмотка трансформатора W1 окажется подключенной через транзистор VT1 к напряжению источника питания . При этом коллекторный ток тран­зистора VТ возрастает до значения, ограниченного током базы

и транзистор VT1 выходит из области насыщения в активную.

Напряжение на транзисторе VT1 возрастает, а на всех обмотках тран­сформатора уменьшается. Коллекторный ток падает, что приво­дит к уменьшению магнитного потока, к изменению знака производной . При этом полярность ЭДС на всех обмотках трансформатора изменяется на обратную. Изменение полярности ЭДС на обмотках тран­сформатора приводит к отпиранию транзистора VТ2 и запиранию тра­нзистора VT1. Вновь возникает лавинообразной процесс, в результате которого транзистор VT1 оказывается в режиме отсечки, a VT2 в ре­жиме насыщения.

Для любого полупериода справедливо соотношение

поэтому и напряжение на вторичной обмотке трансформатора п числом витков в течение полупериода постоянно и равно

Это означает, что напряжения на обмотках трансформатора имеют прямоугольную форму.

В качестве нагрузки исследуемой схемы преобразователя нап­ряжения используется выпрямитель с удвоением напряжения, выполненный на вентилях VД1 и VД2 и конденсаторах С2 и С3. Последний работает на нагрузку в виде переменного сопротивления R4

К основным параметрам преобразователя относят:

коэффициент полезного действия(КПД) ;

рабочую частоту кГц;

величину входного и выходного напряжений и ; ,|

допустимый ток нагрузки ; я

габариты и вес преобразователя.

КПД преобразователя определяется потерями мощности в цепях полупроводниковых приборов, магнитопроводе, выпрямителе и сглаживающем фильтре.

Ориентировочно эти потери составляют: в магнитопроводе 5-10%;

в выпрямителе и сглаживающем фильтре 10-12%;

в транзисторах 15-25%,

Потери мощности в транзисторе складываются из потерь в кол­лекторных цепях в режимах насыщения, отсечки и коммутации, а также в базовых цепях.

Для уменьшения потерь мощности в режиме коммутации резистор R2 шунтируется конденсатором C1.

При конструировании преобразователей необходимо помнить, что с ро­стом частоты уменьшаются габариты трансформатора, но увеличивается потеря мощности, а также влияние помех на работу других радиотехнических систем.

3.3. Тиристорный преобразователь

В данных преобразователях в качестве силовых переключающих элементов используют тиристоры. Отличительной особенностью этих схем (тиристорных преобразовате­лей) является наличие реактивных коммутирующих элементов L и С, предназначенных для запирания тиристоров.

Принцип действия схемы с нулевым выводом (рисунок З.З). На первом полупериоде включён тиристор VS1. При этом в обмотках трансформато­ра Т под действием возрастающего тока наводится ЭДС. Под влияни­ем этой ЭДС конденсатор С заряжается

до напряжения, равного . Полярность заряженного конденсатора, см рис 3.3.(без скобок).

При схема управления вырабатывает импульс, под воздействием которого включается тиристор VS1. Коммутирующий конденсатор С че­рез открытый тиристор VS2 подключается параллельно тиристору VS1, и он запирается под воздействием обратного напряжения. В течение второго полупериода конденсатор С перезаряжается, приобретая про­тивоположную полярность, показанную на рисунок 3.3 в скобках. В начале третьего полупериода схема управления вновь включит ти­ристор VS1.Коммутирующий конденсатор окажется подключенным через тиристор VS1 параллельно тиристору VS2, и он запирается. Форма кри­вой выходного напряжения зависит от величины и характера нагрузки, В случаях, близких к режиму холостого хода, форма кривой тока приближается к прямоугольной, напряжение на нагрузке - к треуголь­ной, так как , а угол опережения приближается к . С уменьшением кривая приобретает форму экспоненты, постоянная времени которой уменьшается. Увеличение тока нагрузки вызывает более быстрый спад напряжения конденсатора, а, следователь­но, уменьшение угла опережения . При больших токах нагрузки кри­вая выходного напряжения приближается к прямоугольной форме и дей­ствующее значение выходного напряжения приближается к ( рисунок 3.4) .

4. Порядок выполнения работы

4.1. Изучить электрические схемы полупроводникового и тиристорного преобразователей напряжения, исследуемых в данной работе.

4.2. Включить полупроводниковый преобразователь.

Для этого необходимо:

1. потенциометр R в цепи питания вывести в крайнее правое положение;

2. выключатель сети поставить в положение 1 ”ВКЛ“ ;

3. с помощью потенциометра R подать на вход преобразователя напряжение 4В, что соответствует повороту ручки потенцио­метра влево до отказа;

Error: Reference source not found

4.2.4. - сопротивление нагрузки R4 поставить в положение, соответ­ствующее максимальному выходному току.

4.3.Зарисовать форму напряжения на коллекторных и базовых обмотках транзистора VT2, для этого подключить осциллограф к клемам ХSЗ и ХS1. Определить рабочую частоту преобразователя с по­мощью осциллографа.

4.4. Определить мощность, подводимую к преобразователю;

Рвх=U0 I0

Определить мощность, отлагаемую в нагрузку выпрямителя ;

Рh=Uh Ih

Определить общий КПД преобразователя напряжения(вместе с выпрямителем);

5. Зарисовать форму напряжения на вторичной обмотке транс­форматора и на выходе выпрямителя с удвоением напряжения.

6. Определить коэффициент пульсации на нагрузке выпрямите­ля по формуле:

где - амплитуда первой гармоники переменной составляющей, определяется по осциллографу.

4.7. Снять нагрузочную(внешнюю) характеристику источника,

и определить по ней внутреннее сопротивление преобразова­теля.

4.8. Сопротивлением R4 установить минимальный ток нагрузки и выполнить пп.4-6.

4.9. Выключить макет.

4.10. Включить тиристорный преобразователь, для чего постави­ть переключатели S в положение 2 и проделать все oneрации, выпо­лняемые с полупроводниковым преобразователем напряжения.

5. Содержание отчёта

Отчёт оформляется индивидуально каждым студентом и должен содер­жать:

1. Цель работы.

2. Электрические схемы исследуемых преобразователей

3. Графики и осциллограммы

4. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

1. Физика работы исследуемых преобразователей напряжения. Назначе­ние отдельных элементов электрических схем преобразователей.

2. Физика работы выпрямителя с удвоением напряжения, подключенного к выходу преобразователя.

3. Достоинства и недостатки исследуемых схем преобразователей.

4. Коэффициент полезного действия преобразователя напряжения, способы его увеличения.

5. Требования, предъявляемые к транзисторам, работающим в схемах преобразователей напряжения.

6. Однотактные схемы преобразователей напряжения, их достоинства и недостатки. Область применения. 7. Схемы однотактных преобразователей напряжения с прямым и об­ратным включением выпрямительных диодов. Достоинства и недостат­ки схем с прямим и обратным включением диодов.

8. Управляемые схемы преобразователей напряжения.

9. Мостовые схемы преобразователей напряжения. Их достоинства и недостатки. Область применения.

10. Роль коммутирующей ёмкости в тиристорном преобразователе напряжения.