Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет водного господарства та

природокористування

Кафедра приладобудування, електротехніки та інформаційних

технологій

106-6

Методичні вказівки

до виконання лабораторної роботи №4

“Дослідження імпульсного джерела живлення електронних

пристроїв” з дисципліни “Електрозабезпечення” для студентів,

які навчаються за напрямом 6.050202 “Автоматизація та

комп’ютерно-інтегровані технології” денної і заочної

форм навчання

Рекомендовано методичною

комісією за напрямом підготовки 6.050202 “Автоматизація та компютерно-інтегровані технології”

Протокол № 4 від 29.11.2012 р.

Рівне 2012

Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи “Дослідження імпульсного джерела живлення електронних пристроїв” з дисципліни “Електрозабезпечення” для студентів, які навчаються за напрямом 6.050202 “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології” денної і заочної форм навчання /О.М.Франчук, - Рівне: НУВГП, 2012. – 14с.

Упорядник: О.М. Франчук, к.т.н., доцент.

Відповідальний за випуск: В.В. Древецький, професор, зав. кафедри приладобудування, електротехніки та інформаційних технологій.

© Франчук О.М., 2012

© НУВГП, 2012

Лабораторна робота 4 „Дослідження імпульсного джерела живлення електронних пристроїв”

1. Мета роботи

Вивчити будову і принцип дії імпульсного джерела електроживлення з широтно-імпульсною стабілізацією вихідної напруги і електронним захистом від струмів перевантаження, короткого замикання і значного збільшення вихідних напруг.

Дослідити стабілізаційну характеристику і межі регулювання вихідної напруги.

2. Загальні теоретичні положення

Використання інтегральної мікроелектроніки вимагає надійних, стабільних і економічно ефективних джерел електроживлення електронних пристроїв. В порівнянні із традиційними випрямлячами напруги мережі змінного струму значно ефективнішими є джерела електроживлення, в яких напруга мережі випрямляється, інвертується в імпульси підвищеної частоти (20…100 кГц), трансформується, знову випрямляється, згладжується і стабілізується. Підвищена частота дає змогу зменшити габарити і металоємність понижувального трансформатора, зменшити пульсацію випрямленої напруги, використати схему однопівперіодного випрямляння вторинної напруги, здійснити широтно-імпульсну стабілізацію вихідної напруги і електронний захист від струмів перевантаження, короткого замикання та значного ( > 20 - 25 %) збільшення вихідної напруги. Структурна схема такого джерела електроживлення наведена на рис.1.

За такою структурною схемою побудовані джерела живлення АСЕ-920А, АСЕ-925А, АСЕ-932А, ОRION-3000Х/48 та інші для комп’ютерів.

Рис.1. Структурна схема джерела електроживлення:

– напруга мережі живлення; – випрямляч напруги мережі; – електронний ключ; – імпульсний трансформатор; – випрямляч вторинної напруги; – блок запуску схеми керування; – джерело опорної напруги; – схема стабілізації і захисту; – мультивібратор; – підсилювач імпульсів керування

Загалом, імпульсне джерело живлення працює наступним чином. Напруга мережі (рис. 1) через мережевий фільтр подається на випрямляч напруги мережі ВНМ. Випрямлена напруга подається на електронний ключ ЕК, що закритий. Для відкривання ключа використовується БЗС, що виробляє постійну напругу потрібної величини для живлення схеми керування (ДОН, ССЗ, МВ, ПІ), яка виробляє імпульси керування ЕК.

Електронний ключ перетворює підведену від ВНМ постійну напругу в імпульсну напругу живлення імпульсного трансформатора, вихідні напруги якого випрямляються ВВН і перетворюється у постійні напруги потрібної величини. Після появи вихідної напруги БЗС автоматично перестає працювати.

Принцип роботи пояснюється електричною схемою імпульсного джерела електроживлення, наведеною на рис. 2. Напруга мережі 220В через мережевий фільтр , , , , , який захищає напругу мережі від імпульсних завад, що виникають внаслідок імпульсного режиму роботи джерела живлення, подається на мостовий випрямляч - . Для захисту випрямних діодів від пробою імпульсами зворотної полярності, що виникають при роботі імпульсного трансформатора і ключа (транзистор ), їх шунтують високовольтними конденсаторами , , , , опір яких для таких імпульсів близький до нуля (другий закон комутації). Випрямлена напруга згладжується -фільтром . Резистори , призначені для розряджання електролітик конденсаторів , після вимикання напруги мережі живлення.

Одержана постійна напруга через первинну обмотку імпульсного трансформатора і первинну обмотку трансформатора струму подається на колектор транзистора , який використовується в якості електронного ключа.

Для створення імпульсів керування транзистором використовується блок запуску схеми, який складається з трансформатора і транзисторів , , . Принцип дії БЗС наступний. Додатна напруга через і заряджає конденсатор . Струм заряджання створює спад напруги на , яка прикладається до затвора польового транзистора і закриває його, оскільки до витоку через подається додана напруга. Закривається транзистор .

Одночасно додатна напруга з через первинну обмотку трансформатора подається на колектор і з на базу . Транзистор відкривається і через первинну обмотку протікає струм, виникає магнітне поле, яке у вторинних обмотках ЕРС. Обмотка з ланкою , створює імпульс від’ємної зворотної напруги, який закриває . Після закінчення імпульсу зворотного зв’язку транзистор знову відкривається, тобто одержуємо -генератор.

Напругу, на вторинних обмотках , , стабілізують двосторонніми стабілітронами , , випрямляють діодами , , згладжують електролітичними конденсаторами , і подають до схем керування і захисту. Використання -генератора обумовлено, по-перше, необхідністю одержання постійної напруги для короткочасного живлення мікросхем і, по-друге, гальванічного роз’єднання вхідної і вихідної постійних напруг.

Як тільки в схему керування (мікросхеми , , ) поступило живлення від автогенератора, запускається мультивібратор на , імпульси якого підсилюються на . Колекторним навантаженням є первинна обмотка , з вторинної обмотки якого імпульси керування подаються на базу . Імпульси додатної полярності, які поступають на базу через , , , , , відкривають транзистор, а від’ємної закривають його. Імпульси транзисторного ключа трансформуються у напруги потрібної величини, випрямляються, згладжуються і поступають теж в схему керування і захисту.

Трансформатор теж виконує функцію гальванічного роз’єднання вхідної і вихідної напруг. Через заданий проміжок часу (1 - 5с), який визначається сталою часу заряду , спад напруги на зменшується до нуля, транзистори і відкриваються і через відкритий на базу поступає від’ємна напруга, транзистор закривається і -генератор перестає генерувати. Отже, -генератор виконує функцію короткочасного джерела живлення схеми керування транзистором . Подальше живлення схеми керування і захисту здійснюється вихідними напругами трансформатора .

Стабілізація вихідної напруги здійснюється методом широтно-імпульсної модуляції сигналу керування транзисторним ключем на . Відомо, що величина напруги у вторинних обмотках трансформаторах пропорційна величині накопиченої первинною обмоткою енергії, яка залежить від величини струму і часу його проходження, тобто часу відкритого стану .

Нехай при номінальній напрузі мережі 220В струм був номінальним і тривалість його проходження через первинну обмотку , тобто тривалість відкритого стану , була оптимальною . Якщо напруга мережі зменшилася до , то зменшиться величина струму до . Отже для збереження заданої величини накопиченої енергії потрібно більше часу на його проходження, тобто . При збільшенні напруги мережі до збільшиться величина струму до , тому для збереження заданої величини енергії потрібно зменшити час проходження струму до .

Принцип дії стабілізатора напруги наступний. Із прецизійного стабілітрона знімається опорна напруга і через подільник напруги , , подається на вхід компаратора , а на вхід подається напруга зворотного зв’язку з виходу “+5В” (обмотка ) через резистор . Для збільшення стабільності живлення здійснюється стабілізатором струму на , і , . Сигнал розузгодження з виходу поступає на вхід мікросхеми регульованого мультивібратора, виконаного на операційному підсилювачі.

Частота імпульсів задається конденсатором , тривалість імпульсів співвідношенням , . Величина і знак сигналу розузгодження змінює тривалість, тобто ширину імпульсів, чим забезпечується стабілізація вихідної напруги, оскільки з виходу імпульси з широтною модуляцією поступають на базу і через на базу . Оскільки навантаженням є первинна обмотка , то при проходженні імпульсу через в ньому накопичується енергія магнітного поля. Полярність напруги на вторинних обмотках така, що випрямні діоди в цей час закриті, а вихідна напруга створюється за рахунок розряду конденсаторів .

Коли на базу поступають імпульси від’ємної полярності, транзистор закривається і на колекторі за першим законом комутації виникає небезпечна за величиною для напруга. Для захисту від перенапруги використовується ланка , , , .

– ланки ( ; ) і конденсатори - зменшують імпульсні завади, що проникають до навантаження.

Імпульсний блок живлення забезпечує захист від струмів короткого замикання, від значного перевантаження і від збільшення вихідної напруги.

Швидкодіючий захист від струму короткого замикання виконаний на транзисторі , діоді і резисторах , . При збільшенні емітерного струму на резисторах , збільшується спад напруги, який відкриває і шунтує перехід база-емітер , що зменшує величину базового струму і, як наслідок, величину струму колектора, тобто схема захисту вимикає джерело живлення.

Захист від перевантаження здійснюються наступним чином. При збільшенні заданого струму навантаження в первинній обмотці трансформатора струму одночасно збільшується напруга у вторинній обмотці, яка випрямляється і поступає на базу транзистора , який відкривається і шунтує другий вхід . Внаслідок цього на компаратор подається занижена опорна напруга і на виході мікросхеми появляється сигнал, який через , поступає на керуючий електрод тиристора і відкриває його, напруга живлення мікросхеми закорочується через на корпус і мультивібратор перестає генерувати. Величина струму перевантаження задається резистором .

Захист від збільшення вихідної напруги здійснюється компаратором на наступним чином. На перший вхід подається вихідна напруга через подільник , , . На другий – опорна напруга, величина якої задається подільником , . При збільшенні вихідної напруги на компаратор відкриває тиристор і знижує напругу живлення мультивібратора до , внаслідок чого вимикається і , тобто на виході напруги не буде. Величина напруги спрацювання захисту встановлюється резистором . Для повторного вмикання необхідно усунути причини спрацювання захисту.

Увага! Особливістю імпульсних випрямлячів є те, що їх не можна вмикати без навантаження. При налагодженні вимагається, щоб усі вторинні обмотки були навантаженні не менше . При відсутності струмів у вторинних обмотках не відбувається розмагнічування, осердя трансформатора, що обумовлює значне збільшення вихідних напруг і, як наслідок, виведення випрямляча з ладу.