4 курс (заочка) / Лабораторные работы / Задание / Лабораторная работа 4

Лабораторная работа №4 ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить принцип действия и особенности импульсных источников питания. Ознакомиться с принципом действия релейных стабилизаторов.

2.ПЛАН РАБОТЫ

1.Снять внешнюю характеристику стабилизатора Uн=f(Iн) при постоянном напряжении питания.

2.Снять нагрузочную характеристику стабилизатора Uн=f(U0) при постоянном токе нагрузки Iн=const.

3.Снять зависимость величины и частоты пульсации на нагрузке

стабилизатора при изменяющемся напряжении U0 и постоянном токе нагрузки, а также при постоянном напряжении U0 и изменяющемся токе нагрузке.

4.С помощью осциллографа определить и представить в отчете:

-формы напряжений на регулирующем элементе, дросселе L2 и диоде

VD7;

-формы токов через регулирующий транзистор, дроссель L2 и диод VD7.

3.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.1.Стабилизаторы.

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на стороне потребителя с заданной степенью точности.

По принципу действия стабилизаторы делятся на два принципиальных вида:

1)Стабилизаторы непрерывного действия, регулирующий элемент (РЭ) которых представляет собой плавно регулируемое сопротивление;

2)Импульсные (ключевые) стабилизаторы, регулирующий элемент

которых представляет собой периодически замыкающийся и размыкающийся ключ; стабилизация в этом случае достигается путем регулирования времени нахождения ключа в закрытом или открытом состоянии.

Оба вида стабилизаторов, в свою очередь делятся на два типа:

1)Компенсационные стабилизаторы, характеризующиеся наличием элементов, контролирующих величину выходного напряжения и вырабатывающих сигнал ошибки. Последний, через систему обратной связи (ОС) воздействует на РЭ, поддерживая выходное напряжение постоянным;

2)Параметрические стабилизаторы, характеризующиеся отсутствием элементов, контролирующих выходное напряжение. Работа таких

стабилизаторов основывается на использовании характеристик нелинейных элементов.

Принцип работы компенсационного импульсного стабилизатора можно видеть по структурной схеме приведенной на рис.1.

Входное напряжение 0 поступает на ключ К и далее, через фильтр Ф, на выходные клеммы устройства. Проходя через фильтр, напряжение выделят постоянную составляющую. Т.е. импульсы напряжения усредняются, «размазываясь» по всему периоду T.

Часть выходного напряжения снимаемое с измерительного элемента ИЭ, сравнивается с эталонным опорным напряжением ОЭ, и их разность, определяющая собой сигнал ошибки, через усилитель У подается на элемент преобразования сигнала ЭПС. Дело в том, что в отличии от стабилизатора непрерывного действия выходное напряжение усилителя в данном случае не может быть непосредственно использовано для управления регулирующим элементом, так как для этой цели необходимо иметь напряжение форма которого определяется выбранным видом ключа. Поэтому сигнал с усилителя У подается на ЭПС, с которого в преобразованном виде он поступает на ключ, периодически замыкая и размыкая его с некоторой частотой к. Сигнал воздействующий на ключ, изменяет относительную длительность замкнутого состояния ключа, поддерживая постоянным выходное напряжение стабилизатора.

Частота к может быть фиксированной и нефиксированной. В первом случае структурная схема должна содержать в себе задающий генератор ЗГ (рис.1), определяющий частоту к. Во втором случае частота определяется автоколебаниями схемы стабилизатора.

На электрическую цепь (рис. 1 а), содержащую замыкающийся и размыкающийся ключ, подается постоянное напряжение U0. Соответственно на выходе этой цепи будем получать прямоугольные импульсы напряжения (рис. 2 б) среднее значение которого будет равно

вых = 0 з = 0 ,

где T – период работы ключа, з – время, в течении которого ключ находится в замкнутом состоянии, = з - относительная длительность замкнутого

состояния ключа.

Из определения следует, что регулировать величину можно:

а) изменением длительности замкнутого з ключа и разомкнутого р состояний ключа при постоянном значении периода Т (широтно-импульсная модуляция - ШИМ);

поэтому часто в качестве переключающего элемента применяют соединение транзисторов называемое составным транзистором Дарлингтона.

Схема Дарлингтона собирается из двух транзисторов. Усиление по току составного транзистора сост тр приблизительно равно произведению коэффициентов усиления каждого транзистора в отдельности сост тр = 1 ∙ 2,

т.е. к2 = 1 ∙ 2 ∙ б1= сост тр ∙ б1.

При подачи отпирающего импульса на базу транзистора 1 оба транзистора должны перейти в режим насыщения. Транзисторы ведут себя, как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор 1 не может быстро выключить транзистор 2. Учитывая это свойство, между базой и эммитером транзистора 2 обычно включают резистор R. Этот резистор предотвращает смещение транзистора 2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов 1 и 2.

Рис. 5 в. Схема Дарлингтона с направлениями токов.

Рассмотрим параметры схемы Дарлингтона на примере схемы на рис. 5 в. При работе транзисторов в линейном режиме запишем для 1 :

к1 = 1 ∙ б1 ; э1 = (1 + 1) ∙ б1.

Для транзистора 2:

к2 = 2 ∙ б2.

Учитывая, что для данной схемы б2 = э1, предыдущее выражение можем переписать следующим образом к2 = 2 ∙ б2 = 2 ∙ (1 + 1) ∙ б1. Зная, что значение = 50 … 500 можем легко пренебречь единицей и записать к2 = 2 ∙

1 ∙ б1.

В остальном транзистор Дарлингтона ведет себя точно также как и обычный транзистор, только с большим усилением по току сост тр = 1 ∙ 2.

Все выше сказанное справедливо и для комплементарной схемы Дарлингтона (схемы Шиклаи).

3.3.Схема сравнения в релейном стабилизаторе.

Схема сравнения является обязательным элементом каждого компенсационного стабилизатора. Ее назначение выявить величину отклонения выходного напряжения стабилизатора от установленного номинала, в случае необходимости усилить ее и передать в следующий узел цепи обратной связи.

На рис. 6 приведена схема усилителя постоянного тока на дифференциальном усилителе. Дифференциальный усилитель обычно используется для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В нашем случае происходит сравнение изменявшегося выходного напряжения снимаемого с резистора б3 c напряжением на э,

+

триггер

-

Рис.6. Дифференциальный усилитель в импульсном стабилизаторе с двухпозиционным управлением.

которое поступает с источника опорного напряжения. Усиленная разница поступает далее на триггер.

3.4.Триггер Шмитта.

Вкачестве релейных элементов в стабилизаторах постоянного напряжения находят широкое применение триггеры на транзисторах. На рис. 7 (а-б) изображена схема с эмиттерной связью (триггер Шмитта) и характеристика. Триггер может находиться в одном из двух устойчивых

состояний. В первом состоянии транзистор 1 закрыт, а 2 - открыт и насыщен. Переход триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро (лавинообразно) при воздействии определенной величины на базу транзистора1. Существуют две критические величины сигнала, при которых происходит

Выходной сигнал, используемый для управления ключевым транзистором, снимается с коллектора транзистора 2 триггера. Таким образом, 2 отпирает и запирает транзистор 3, который, в свою очередь воздействуют на схему управления регулирующим транзистором.

Условие насыщения транзистора 2 обеспечивает резистор 5, а для увеличения быстродействия триггера параллельно резистору 5 иногда включают конденсатор С.

4.ОПИСАНИЕ СТЕНДА.

Внастоящей работе исследуется импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока, построенный на базе однотактного преобразователя типа ПН (с понижением напряжения). Силовая часть стабилизатора (рис.8 а) содержит:

- регулирующий элемент VT, выполненный на биполярном транзисторе, работающий в режиме переключения;

- выходной LCD фильтр нижних частот;

- нагрузку, подключаемую параллельно конденсатору выходного LCD фильтра.

Висследуемом стабилизаторе используется двухпозиционный (релейный) способ управления регулирующим элементом, для чего в состав схемы управления введено пороговое устройство – триггер Т с двумя устойчивыми состояниями. Выходной сигнал триггера через устройство согласования Д (драйвер) управляет работой регулирующего элемента (переводит регулирующий транзистор из состояния насыщения в состояние отсечки и наоборот). Сигнал на вход триггера подается с выхода стабилизатора через схему сравнения СС и усилитель постоянного тока УПТ, так что стабилизатор работает в режиме автоколебаний.

Рассмотрим работу стабилизатора в предположении идеальности всех его элементов. При переводе VT в режим насыщения диод VD закрыт и

оказывается под обратным напряжением равным входному напряжению U0. При этом к обмотке дросселя L будет приложено напряжение равное (U0 - UН), под действием которого дроссель будет запасать энергию, а его ток нарастать по линейному закону. Когда увеличивающийся ток дросселя станет больше тока нагрузки начнется заряд конденсатора С и увеличение выходного напряжения, что будет приводить к увеличению напряжения на входе УПТ и, следовательно, к уменьшению напряжения на входе триггера Т.

Рис. 8. Структурная схема релейного стабилизатора (а), временная диаграмма напряжения на входе фильтра (б).

Когда напряжение на входе Т достигнет значения его порога отпускания, триггер через драйвер обеспечивает перевод VT в выключенное состояние. При этом ЭДС самоиндукции дросселя обеспечивает включение диода VD, так что к обмотке дросселю будет приложено напряжение, равное выходному напряжению UН, под действием которого дроссель будет отдавать ранее запасенную энергию в нагрузку, а его ток будет уменьшаться по линейному закону. Когда убывающий ток дросселя станет меньше тока нагрузки начнется разряд конденсатора С и, следовательно, уменьшение выходного напряжения стабилизатора. При этом напряжение на входе триггера Т начнет увеличиваться и при достижении порога его срабатывания он через драйвер обеспечит перевод VT во включенное состояние.

Регулирующий элемент VT8, работающий в режиме переключения, преобразует входное напряжение постоянного тока U0 в последовательность однополярных прямоугольных импульсов, подаваемых на вход LCD фильтра (рис. 8 б), который в свою очередь выделяет интегральную (среднее значение) составляющую этой последовательности прямоугольных импульсов. Так, например увеличение напряжения на входе стабилизатора приводит к уменьшению длительности открытого состояния регулирующего элемента, т.е. к уменьшению длительности tИ прямоугольных импульсов на входе фильтра при практически неизменной длительности паузы tП , что и обеспечивает стабилизацию среднего значения выходного напряжения.

К достоинствам импульсных стабилизаторов и в частности исследуемого