4 курс (заочка) / Лабораторные работы / Задание / Лабораторная работа 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Ордена Трудового Красного Знамени

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

Кафедра экологии, безопасности жизнедеятельности и электропитания.

СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Москва 2019

Лабораторная работа № 1 СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с функциональной и электрической принципиальной схемами исследуемого стабилизирующего преобразователя напряжения постоянного тока (СПН), а также с принципом работы и назначением всех элементов принципиальной схемы.

2.ПЛАН РАБОТЫ

2.1.Снять и построить внешнюю характеристику стабилизатора

UН=f(IН) при неизменном входном напряжении UВХ НОМ= 60 В. Снять зависимость среднего значения напряжения на регулирующем элементе от

тока нагрузки UРЭ=f(Iн). Рассчитать и построить зависимость КПД преобразователя от тока нагрузки η=f(IН).

2.2.Снять и построить нагрузочную характеристику стабилизатора

Uн=f(UВХ) при постоянном токе нагрузки Iн=const. Снять зависимость среднего значения напряжения на регулирующем элементе от входного напряжения

UРЭ=f(UВХ). Рассчитать и построить зависимость КПД преобразователя от входного напряжения η=f(UВХ).

2.3.С помощью осциллографа определить и представить в отчете форму кривых напряжения и тока в различных точках принципиальной схемы преобразователя.

3.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.1.СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И СПОСОБЫ СТАБИЛИЗАЦИИ СПН

Стабилизирующий преобразователь напряжения (СПН) является устройством, обеспечивающим на выходе постоянное напряжение н с определенной, заданной техническими требованиями, точностью при изменении входного напряжения вх и изменения тока нагрузки н.

Различают следующие структурные схемы СПН Таблица 1, рис. 1 (а-г). Таблица 1.

Основным отличием непрерывных стабилизатор (НС) от импульсных стабилизаторов (ИС) заключается в работе регулирующего транзистора. В ИС регулирующий транзистор работает в импульсном режиме (отсечка – насыщение), а в НС рабочая точка регулирующего транзистора находится в активной зоне.

Регулируемый преобразователь – это преобразователь, в котором регулирование напряжения осуществляется с применением схемы управления (СУ) работающей по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При централизованном регулировании входного напряжения (рис. 1 а) входной стабилизатор ВСН поддерживает неизменным напряжение питания преобразователя, с выхода которого снимается стабильное напряжение. Этот способ регулирования используется в многоканальных источниках электропитания, когда от преобразователя необходимо получить несколько выходных напряжений. ВСН данной структурной схемы может быть непрерывным (НС+ПН) или импульсным (ИС+ПН).

Структурная схема типа НС+ПН применяется в основном для питания маломощных нагрузок при небольших пределах изменения входного напряжения.

Достоинства схемы НС+ПН:

-простота;

-возможность использования интегральных стабилизаторов. Недостаток:

-большая потеря мощности в регулирующем транзисторе стабилизатора.

Структурные схемы ИС+ПН более экономичные благодаря работе регулирующего элемента в импульсном режиме. Данные схемы применяются

вмногоканальных источниках электропитания с выходной мощностью от единиц до десятков ватт.

Общим недостатком многоканальных структур является низкая стабильность выходного напряжения каждого канала при изменении тока в нагрузках. Хорошую стабильность при изменении входного напряжения и тока нагрузки можно получить по той цепи, за которой ведется слежение (вариант использования такой цепи обозначении на рис. 1а пунктиром), либо по тому каналу, выходное напряжение которого подается в нагрузку через отдельный стабилизатор напряжения (при этом реализуется смешанный способ стабилизации выходных напряжений рис. 1 а, г). Применение структуры рис. 1 г. целесообразно при построении многоканальных источников электропитания с выходной мощностью порядка сотен ватт т.к. в вольтодобавочном стабилизаторе (ВДС) регулируется только часть потребляемой мощности и, поэтому, КПД устройства будет выше, в то время как ИС+ПН рассчитывается на регулирование полной мощности.

В регулированном преобразователе (рис. 1 б) совмещены функции преобразования и стабилизации постоянного напряжения, что позволяет повысит КПД таких устройств за счет исключение промежуточных преобразований энергии.

При децентрализованном способе стабилизации (рис. 1 в) на выходе нерегулируемого преобразователя по каждому каналу включается индивидуальный стабилизатор: непрерывный или импульсный. Выходные напряжения при этом имеют высокую стабильность, особенно если в качестве выходных используются непрерывные стабилизаторы. Однако КПД таких преобразователей низкий из-за потерь мощности в преобразователе и стабилизаторах, которые рассчитываются для работы при полном изменении

входного напряжения от вх.мин до вх.макс.

В данной лабораторной работе, в качестве примера, анализируется стабилизирующий преобразователь напряжения (рис. 2, рис. 3), реализованный по структурной схеме НС+ПН и осуществляющий централизованный способ стабилизации напряжения.

Рис. 1 (а-г). Основные структурные схемы СПН.

3.2. СОСТАВ СХЕМЫ СПН.

ФВЧ1 – входной фильтр высокой частоты (построен на индуктивности L1 и конденсаторах С1, С2);

ФВЧ2 – выходной фильтр высокой частоты (L3, C12, C13);

СЗ (схема защиты) – устройство защиты от перегрузок по току (реализовано на транзисторе VT1, стабилитроне VD2, сопротивлениях R3, R4, R7 и конденсаторе C4), в котором R7 выполняет роль датчика тока (ДТ);

РЭ – регулирующий элемент непрерывного действия (транзисторы VT2, VT4, соединенные по схеме Дарлингтона, и резистор R6);

ПР – преобразователь напряжения, выполнен по двухтактной схеме с самовозбуждением на транзисторах VT3, VT5 и трансформаторе TV с выводом нейтральной точки первичной обмотки W11, W12. Положительная обратная связь для управления транзисторами ПР обеспечивается с помощью дополнительной обмотки трансформатора W3, конденсатора С7, резистора R5

и диодов VD4, VD5;

В1 – двухполупериодный выпрямитель силовой цепи, реализованный на диодах VD6, VD7;

B2 – добавочный выпрямитель (диоды VD8, VD9) для питания схемы управления;

Ф1 – п-образный фильтр низких частот (L2, С8, C10); Ф2 - емкостной фильтр С11; СУ – схема управления:

ИОН – источник опорного напряжения (R10, стабилитрон VD10); РОН – потенциометр R12;

СС (схема сравнения) - делитель напряжения R11-R13, микросхема

DA1 (типа K140УД6);

ОП (оптопара) – узел гальванической развязки (оптрон V1); Схема включения – диод VD1, конденсатор C5, резистор R2.

3.3. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СПН.

Как следует из рис. 2 ПР и РЭ, соединенные между собой последовательно, подключены к входному напряжению UВХ источника питания. Принцип действия исследуемого СПН заключается в том, что любое отклонение выходного напряжения UН от установленного значения, выявляемое схемой управления, приводит к изменению сопротивления РЭ, т.е. изменению напряжения на РЭ. В свою очередь изменение напряжения на РЭ приводит к противоположного по знаку изменению напряжения на входе ПР, что и обеспечивает стабилизацию выходного напряжения СПН. Так, если выходное напряжение UН, увеличивается (вследствие повышения входного напряжения UВХ или уменьшения тока нагрузки IН) СУ обеспечивает увеличение напряжения на РЭ, что приводит к уменьшению напряжения на входе, а, следовательно, и на выходе ПР, что препятствует дальнейшему

повышению выходного напряжения UН, так что среднее значение напряжения на выходе остаётся практически на заданном уровне.

Схема электрическая принципиальная исследуемого СПН приведена на рис. 3. ПР напряжения выполнен по двухтактной схеме с самовозбуждением на транзисторах VT3, VT5 и трансформаторе TV с выводом нейтральной точки первичной обмотки W11, W12. Положительная обратная связь для управления транзисторами ПР обеспечивается с помощью дополнительной обмотки трансформатора W3, конденсатора С7, резистора R5 и диодов VD4, VD5. Первоначальный запуск ПР при подключении его к источнику питания осуществляется с помощью конденсатора С5, динистора VD3 и резистора R2. Для разряда конденсатора С5 при отключении СПН от источника питания в схему введен диод VD1. Достаточно подробно работа ПР рассмотрена в [1]. Выходной выпрямитель В1 выполнен по двухполупериодной схеме выпрямления с выводом нейтральной точки вторичной обмотки трансформатора TV (W21, W22, диоды VD6, VD7). Выходной сглаживающий фильтр ФНЧ выполнен по П-образной схеме на конденсаторах С8, С10 и дросселе L2.

Между ФНЧ и нагрузкой установлен выходной высокочастотный фильтр радиопомех (L3, C12, C13). На входе исследуемого СПН также установлен входной фильтр радиопомех (С1, C2, L1). РЭ выполнен на транзисторах VT2, VT4, включенных между собой по схеме Дарлингтона (по схеме составного транзистора) и резисторе R6. Резистор R7 в цепи эмиттера VT4 выполняет функцию датчика тока РЭ. Значение тока базы РЭ (тока базы VT2) зависит от входного напряжения (напряжения на конденсаторе С3), величины сопротивления резистора R1, проводимости транзистора VT1 и проводимости фототранзисторов оптопары ОП V1. В свою очередь проводимость фототранзисторов зависит от интенсивности излучения светодиода оптопары V1, т.е. от величины выходного напряжения усилителя постоянного тока, выполненного на операционном усилителе DA1 и сопротивления R9.

На неинвертирующий вход DA1 подается выходное напряжение UН СПН, а на инвертирующий вход подается опорное (эталонное) напряжение, снимаемое с нижнего плеча резистивного делителя R11… R13. Для питания этого резистивного делителя стабильным напряжением в схему управления введен параметрический стабилизатор, выполненный на стабилитроне VD10 и резисторе R10. Питание параметрического стабилизатора и операционного усилителя осуществляется суммарным напряжением UН и выходным напряжением дополнительного выпрямителя, выполненного на диодах VD8, VD9 и конденсаторе С11. Например, при увеличении напряжения UН увеличивается напряжение на неинвертирующем входе DA1, что при неизменном опорном напряжении DA1, приводит к увеличению выходного напряжения DA1, а, следовательно, и тока через светодиод оптопары V1. В результате увеличивается ток через фототранзисторы оптопары V1. Увеличение тока через фототранзисторы приводит к увеличению падения

напряжения на резисторе R1 и, следовательно, к уменьшению базового тока РЭ и соответственно к его запиранию. При этом напряжение на РЭ возрастает, а напряжение на входе ПР уменьшается, так что выходное напряжение СПН остается неизменным с определенной степенью точности.

3.4. СХЕМА ЗАЩИТЫ.

Для защиты транзисторов РЭ от перегрузки по току и напряжению прежде всего в момент запуска в схему СПН введены транзистор VT1, резисторы R3, R4, стабилитрон VD2 и конденсатор С4. Действительно в момент запуска СПН напряжение на конденсаторе С8 равно нулю, так, что трансформатор оказывается в режиме короткого замыкания, что без элементов защиты могло бы привести к перегрузке транзисторов РЭ и выходу их из строя. Увеличение тока через мощный транзистор VT4 РЭ приводит к увеличению напряжения на датчике тока – резисторе R7. При напряжении на датчике тока ДТ, превышающем 0.7-0.8 В транзистор VT1 открывается, в результате чего ограничивается ток через РЭ. Транзистор VT1 открывается также в том случае, когда напряжение на РЭ превышает напряжение стабилизации стабилитрона VD2. В последнем случае это приводит к резкому уменьшению тока через РЭ. Конденсаторы С4, С6 обеспечивают требуемую инерционность работы схемы защиты РЭ от недопустимых напряжений.

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ И ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА.

4.1. Предварительно ознакомиться со структурной (рис.2) и электрической принципиальной (рис.4) схемами исследуемого СПН. Понять принцип действия СПН и назначение его элементов. Ознакомиться со стендом лабораторной работы. Внешний вид стенда показан на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид стенда для исследования СПН.

На стенде:

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная СПН.