4 курс (заочка) / Учебные материалы / ЭУиСТ практикум Шакиров Яблочников

План УМД 2018/2019 уч. г.

Яблочников С.Л., Шакиров К.Ф. Практикум по дисциплине «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» / Учебное пособие для студентов направления подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (уровень бакалавриат). Часть II, 2019. ‒ М.: МТУСИ. ‒ 40 с.

В данном учебном пособии представлены практические и методические аспекты реализации образовательного процесса по учебной дисциплине «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций», в частности осуществления совокупности лабораторных работ в рамках данного курса. Практикум снабжен кратким теоретическим материалом, необходимым количеством принципиальных электрических схем.

Пособие предназначено для преподавателей технических вузов, а также студентов, обучающихся на бакалаврских образовательных программах по ряду направлений подготовки, в частности, по направлению 11.03.02 – инфокоммуникационные технологии и системы связи.

Рецензенты: к.ф.-м.н., доцент Купцов М.И., РГРТУ. к.т.н, доцент Костюк Е.В., МТУСИ.

Рассмотрены и рекомендованы к печати на заседании кафедры ЭБЖиЭ МТУСИ, протокол №5 от 30 ноября 2018 г.

2

СОДЕРЖАНИЕ

1.Лабораторная работа №10 «Исследование интегрального 5 стабилизатора напряжения»

1.1.Интегральные стабилизаторы напряжения с непрерывным 5 регулированием

1.2.Методические указания по проведению лабораторной работы 16

2.Лабораторная работа №11. «Исследование однофазного 24

3

ВВЕДЕНИЕ

Источники электропитания являются неотъемлемой частью фактически любой информационно-коммуникационной системы или же устройства связи и телекоммуникаций. Именно они, в первую очередь, определяют уровень эффективности и надежности функционирования данных технических средств, а также уровни иных технико-экономические показатели. В условиях Четвертой промышленной революции и цифровизиции экономики развитие современных средств связи, широкое внедрение компьютерных технологий практически невозможно без проектирования, производства и внедрения высокоэффективных источников электропитания, в том числе содержащих элементы средств интеллектуализации их работы.

Сегодня в данной сфере, в частности, осуществляется переход от низкочастотных технологий преобразования электрической энергии к высокочастотным. Проектировщиками, инженерами и технологами достаточно часто используется принцип активной коррекции коэффициента мощности, внедряется модульная технология формирования устройств и систем электропитания, схемотехника которых преимущественно переходит на цифровые методы эффективного управления режимами работы, а также применяется режим мониторинга основных параметров с удаленного центра осуществления контроля.

Все указанное выше определяет совокупность отличий современных систем электропитания от ранее разработанных, опирающихся на так называемые «классические» схемы, и повсеместно применяющихся и ныне. Разработка, проектирование, исследование и эксплуатация устройств и систем электропитания невозможна без осуществления анализа и глубокого понимания физических процессов, реализуемых в них для достижения соответствующих целей. Важно также учитывать аспекты и особенности функционирования таких устройств в различных состояниях и условиях эксплуатации, а также знать методы оперативного обнаружения и устранения наиболее вероятных неисправностей. Это, в свою очередь, требует у обучающихся на программах бакалаврской подготовки технических вузов наличия ряда компетенций в сфере практического применения средств электронной техники, а также умения ориентироваться в современных тенденциях ее развития.

4

Лабораторная работа №10. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО СТАБИЛИЗАТОРА

НАПРЯЖЕНИЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Формирование у студентов глубоких теоретических знаний в области обеспечения гарантированного бесперебойного и качественного электропитания устройств и систем телекоммуникаций, в частности, путем осуществления стабилизации совокупности параметров (в первую очереди, уровня напряжения и силы тока), а также у практических навыков проектирования, исследования и эксплуатации реальных схем стабилизации напряжения и силы тока на примере применения в практической деятельности интегральных схем (ИС) серии К142ЕН 1, 2 (А, Б).

2. ЗАДАНИЕ.

Реализовать экспериментальные испытания в процессе функционирования интегрального стабилизатора К142ЕН1А, определить его основные параметры, а также в ходе проведения серии экспериментов выявить имеющиеся в наличии достоинства и недостатки основных принципиальных электрических схем включения таких интегральных микросхем.

3.ПЛАН ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ.

1.Определение параметров ИС при изменении входного напряжения и постоянном токе нагрузки.

2.Определение параметров ИС при постоянном входном напряжении и изменении тока нагрузки.

3.Определение коэффициента сглаживания ИС.

4.Определение величины тока нагрузки, при котором гарантировано срабатывает система защиты ИС.

4.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ С НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

4.1. Общие сведения

5

Рис. 1. Структурная схема стабилизатора компенсационного типа с непрерывным регулированием и последовательным включением с

нагрузкой регулирующего элемента

Стабилизаторы постоянного напряжения компенсационного типа, фактически, представляют собой достаточно простую систему автоматического регулирования (САР), которая с высокой степенью точности обеспечивает поддержку заданного уровня напряжения на выходе данного устройства при изменениях напряжения питающей сети, тока в нагрузке, а также при наличии совокупности иных внешних дестабилизирующих факторов (отклонений частоты изменения во времени напряжения и тока питающей сети от номинального значения - 50 Гц, дрейфа температуры окружающей среды и влажности и т. д.)

На рис. 1 изображена структурная схема стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа. Стабилизатор состоит из регулирующего элемента (РЭ), включенного последовательно с нагрузкой, а также усилителя постоянного тока УПТ и схемы сравнения (СС), компонентами которой являются: источник опорного напряжения (ИОН), делитель напряжения и компаратор (устройство сравнения).

Всю совокупность стабилизаторов, в зависимости от способа включения РЭ по отношению к нагрузке, можно разделить на два множества, а именно: последовательного и параллельного типа. Представленная нами на рис.1 структурная схема компенсационного устройства относится именно к первому типу.

Принцип работы стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа с последовательным включением РЭ относительно нагрузки заключается в следующем. Компоненты схемы сравнения (СС) обеспечивают оценку отклонений выходного напряжения от опорного. Сигнал, пропорциональный разности этих двух электрических потенциалов подается на вход усилителя постоянного тока (УПТ), выход которого подключен к управляющему входу регулирующего элемента (РЭ).

6

Изменение сигнала на управляющем входе регулирующего элемента приводит к изменению его активного сопротивления и, соответственно, к увеличению (уменьшению) разницы потенциалов на его входе и выходе. А так как при функционировании схемы САР используется принцип отрицательной обратной связи, уровень напряжения на выходе стабилизатора «возвращается» к заранее заданному (номинальному) его значению. Регулирование уровня напряжения на выходе интегрального стабилизатора обеспечивается его с определенной степенью точности и некоторой «скоростью» реагирования на отклонения от заранее заданного номинала.

4.2. Интегральные стабилизаторы.

В настоящее время, серийно выпускаемые отечественной промышленностью интегральные стабилизаторы с непрерывным регулированием серии К142ЕН, можно условно разделить на четыре довольно большие группы электронных устройств:

‒стабилизаторы с регулируемым выходным напряжением от 3 до 30 В типов К142ЕН 1; 2 и К142ЕН 3, 4;

‒стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением 5, 6, 9, 12, 15, 20, 24, 27 В типов К142ЕН 5; и К142ЕН 8; 9;

‒стабилизаторы с двухпольным регулируемым выходным напряжением от 5 до 15 В серии К142ЕН 6

‒стабилизаторы напряжения постоянного тока отрицательной полярности типа К142ЕН 10.

Из перечисленных выше типов интегральных стабилизаторов наибольшее распространение, в силу некоторой своей универсальности, получили именно стабилизаторы серии К142ЕН 1,2 (А, Б).

Кроме своего основного назначения, они используются в качестве активных сглаживающих фильтров, стабилизаторов тока, пороговых устройств, устройств защиты и т.п.

Интегральные стабилизаторы серии К142ЕН 1, 2 (А, Б) выполняются на основе полупроводниковой планарной технологии в объёме кристалла кремния размером 1,7 х 1,7 мм.

На рис. 2 изображена схема интегрального стабилизатора и один из способов её включения.

7

Рис. 2. Схема последовательного стабилизатора напряжения в интегральном исполнении.

В качестве регулирующего элемента в интегральном стабилизаторе,

как правило, используют составной транзистор VT4, VT3, который выполняет роль активного сопротивления. Составной регулирующий транзистор, реализованный по схеме Дарлингтона применяется для согласования режима работы достаточно мощного транзистора VT4 с маломощным транзистором усилителя постоянного тока VT7. Применение в данной схеме указанного выше составного транзистора VT4, VT3 позволяет существенно увеличить коэффициент передачи тока базы и уменьшить влияние неуправляемого коллекторного тока.

8

Источником опорного напряжения является параметрический стабилизатор, выполненный на двух лементах, а именно: стабилитроне VD1 и полевом транзисторе VT1. В качестве стабилитрона VD1 используется эмиттербазовый переход n–p–n транзистора, смещённый в обратном направлении и имеющий характеристику лавинного пробоя. Для улучшения качества (стабильности) эталонного напряжения полевой транзистор VT1 у которого закорочены выводы истока и затвора, в схеме используется как параметрический стабилизатор тока стабилитрона VD1.

Для уменьшения выходного сопротивления параметрического стабилизатора на его выходе включен эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT5, резисторах R1, R2 и диоде VD2.

Основным фактором, влияющим на качество формирования опорного напряжения, является нестабильность, вызванная изменением температурных условий функционирования ИС. В частности, для температурной компенсации изменений формируемого опорного напряжения в схеме параметрического стабилизатора используется диод VD2. Делитель напряжения, выполненный на резисторах R1 и R2, позволяет получать опорное напряжения по амплитуде меньшее, чем напряжение на стабилитроне VD1. При этом на вход транзистора VT6 подаётся постоянного стабилизированное напряжение с резистора R2. Транзистор VT6 включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является резистор R3. Напряжение на резисторе R3 постоянно и равно напряжению на резисторе R2.

Усилитель постоянного тока выполнен по весьма распространенной дифференциальной схеме и реализован на трех полупроводниковых транзисторах VT6, VT7 и VT2. Полевой транзистор VT2, включенный по схеме стабилизатора тока, является коллекторной нагрузкой транзистора VT7 и имеет большое дифференциальное сопротивление. В частности, это позволяет существенно повысить коэффициент усиления усилителя постоянного тока.

По сравнению с простейшим однокаскадным усилителем дифференциальный усилитель обладает следующими преимуществами:

при интегральном исполнении достигается практически полная компенсация температурного дрейфа напряжения база-эмиттерных переходов транзисторов VT6, VT7 что позволяет снизить требования к нестабильности по температуре источника опорного напряжения;

в отличие от простейших схем источник опорного напряжения включен в базовую цепь усилителя постоянного тока. Такое включение уменьшает нестабильность за счёт снижения влияния дифференциального сопротивления источника опорного напряжения.

9

Для защиты стабилизатора от режима короткого замыкания и соответствующих перегрузок по току в схему интегрального стабилизатора введен транзистор VT9.

Предусмотрена также возможность выключения стабилизатора внешним сигналом, которая обеспечивается за счет функционирования узла электрической схемы, реализованной с применением транзистора VT8, резистора R4 и диода VD3.

Для обеспечения эффективной работы интегрального стабилизатора, а также для получения заданного значения уровня выходного напряжения необходимо подключить к данной микросхеме ряд дополнительных дискретных элементов, а именно: делитель напряжения обратной связи, выполненный на резисторах R8, R9, выходную ёмкость н и резисторы схемы защиты R5...R7.

С помощью переменного резистора R8 можно установить необходимую величину выходного напряжения ИС.

При помощи резисторов R5…R7 обеспечивается работа схемы защиты от перегрузок по току.

В свою очередь, конденсатор н обеспечивает устойчивую работу ИС. Также для повышения устойчивой работы микросхемы вводят конденсатор

C1 (рис.3 – рис.5).

Принцип действия ИС (см. рис.2) заключается в следующем. При изменении входного напряжения, например увеличении, в первый момент времени возрастает выходное напряжение и напряжение на резистивном делителе, образованном резисторами R8, R9. Напряжение 9 на нижнем плече делителя (резисторе R9) сравнивается с напряжением на резисторе R3, которое равно опорному напряжению оп. Увеличение напряжения 9 приводит к увеличению положительного потенциала на базе транзистора VT7, а также к увеличению его базового и коллекторного токов. При увеличении коллекторного тока к транзистора VT7 ток базы б транзистора VT3 уменьшается, поскольку ток стока с транзистора VT2 – величина постоянная и равна сумме токов:

с = = к + б.

Уменьшение тока базы б транзистора VT3 приводит к уменьшению тока базы транзистора VT4 и к увеличению падения напряжения на переходе коллектор–эмиттер этого транзистора.

10