Лабораторная работа №4 исследование 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 преобразователей напряжения и их зависимость от питающего напряжения и нагрузки, просмотреть осциллограммы в различных точках схемы и дать им физическое объ­яснение.

2. Задание

2.1 Изучить принцип действия и параметры полупроводниковых преобразователей напряжения.

2.2 Исследовать зависимость параметров однотактного преобразователя напряжения с обратным включением выпрямительного диода от напряжения сети и величины нагрузки.

2.3 Зарисовать осциллограммы напряжения в различных точках, ис­следуемых схем.

3. Основные теоретические сведения и соотношения.

3.1 Преобразователи постоянного напряжения

Статическими преобразователями постоянного напряжения называются устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное (инверторы) 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 схемам, 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.

К основным параметрам преобразователя относят:

- коэффициент полезного действия (КПД) ;

- рабочую частоту кГц;

- величину входного и выходного напряжений E_п и U₀;

- допустимый ток нагрузки I_HMAX;

- 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 в цепи базы транзистора в ключевом режиме R_б шунтируется конденсатором.

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

3.2 Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением выпрямительного диода

Схемотехнически наиболее прост однотактный преобразователь с обратным включением выпрямительного диода (рис. 1, а). Он представляет собой фактически импульсный стабилизатор с последовательным транзистором и па­раллельным дросселем, причем дроссель выполнен двухобмоточным, что обеспе­чивает гальваническую развязку нагруз­ки от первичной сети.

Положительные импульсы напряже­ния возбуждения длительностью отпи­рают, а отрицательные длительностью запирают силовой транзистор VТ. Открытый транзистор оказывается в ре­жиме насыщения и пропускает через себя как обратный ток диода, пересчи­танный в первичную обмотку, так и ток заряда дросселя, проходящий от источни­ка Еп через первичную обмотку дросселя (рис.1, б, в). Длительность импульса коллекторного тока больше на время рассасывания заряда неосновных носи­телей в базе.

Рисунок 1 – Однотактный преобразователь с обратным включением диода

При запирании транзистора отрица­тельным импульсом напряжения напря­жение, индуцируемое магнитным потоком на обмотках дросселя, меняет знак и начинает быстро нарастать по абсолют­ному значению. Когда напряжение на обмотке достигнет значения отпирается выпрямительный диод VD и накопительный конденсатор C заряжаясь, замедляет дальнейший рост индуцируемого напряжения. Таким образом, напряжение на обмотке дросселя во время его разрядки через диод VD оказывается равным -

Если индуктивность дросселя L больше критической, то выходное напря­жение преобразователя можно определить из условия равенства нулю сред­него напряжения на дросселе:

Обозначив и преобразовав последнее выражение, найдем

Зависимость выходного напряжения от длительности импульса позво­ляет регулировать его значение и, следовательно, построить на основе однотактного преобразователя стабилизирующий источник. Как и в стаби­лизаторе напряжения с параллельным дросселем, максимальное значение напряжения реально не равно бесконечности при (потому что огра­ничивается сопротивление потерь в преобразователе). Возрастания выход­ного напряжения на холостом ходу стремятся избежать, для чего используют добавочную неотключаемую нагрузку.

Напряжение на закрытом транзисторе складывается из напряжения источника Е_п и индуцируемого магнитным потоком напряжения на обмотке дросселя (рис. 1, д):

При индуктивности дросселя, много большей критического значения, ток коллектора транзистора по форме близок к прямоугольной:

где - средний ток, потребляемый от источника Е_п.

Произведение в таком преобразователе обратно пропорционально и, следовательно, имеет минимум при = 0,5. Этому минимуму соот­ветствует наименьшая установочная мощность транзистора однотактного преобразователя напряжения с обратным включением диода.

Если выбрать индуктивность дросселя меньше критической, то ток дросселя приобретает треугольную форму (пунктирные линии на рис.1, в, г) и в рассматриваемом преобразователе для отпирания силового транзистора возникнут благоприятные условия. Транзистор будет включать­ся при нулевом токе и запертом выпрямительном диоде. Поэтому коммута­ционные выбросы тока коллектора в таком режиме не возникают.

Длительность разрядки дросселя на выпрямительное звено с нагрузкой постоянному току R₀ :

Для реализации режима с треугольной формой тока дросселя необхо­димо, чтобы длительность пассивной части периода была больше . В этом случае в нагрузку полностью передается энергия, накопленная в дросселе:

При необходимости стабилизации энергии (мощности) в нагрузке однотактный обратный преобразователь регулируется в соответствии с приве­денной зависимостью.

Выходное напряжение преобразователя в режиме разрывных токов дросселя обратно пропорционально корню квадратному из сопротивления нагрузки:

По этому же соотношению выбирают сопротивление неотключаемой нагрузки при заданном максимуме выходного напряжения.