4 курс (заочка) / Учебные материалы / ЭУиСТ практикум Шакиров Яблочников (часть 3)

План УМД 2019/2020 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 III, 2019. ‒ М.: МТУСИ. ‒ 36 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.п.н., доцент Видов С.В., АПУ ФСИН России

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

2

1.1.Структурные схемы стабилизирующих преобразователей и 5 существующие ныне способы осуществления стабилизации параметров электрических сигналов.

1.2.Методические указания по проведению лабораторной работы 13 «Стабилизирующий преобразователь напряжения постоянного

3

ВВЕДЕНИЕ

Блоки, обеспечивающие электропитание, являются неотъемлемой частью фактически любой информационно-коммуникационной системы или же устройств 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.

В частности, ныне в данной сфере осуществляется переход от широко применяемых ранее низкочастотных технологий преобразования электрической энергии к высокочастотным. Кроме того, проектировщиками, инженерами и технологами достаточно часто используется принцип активной коррекции коэффициента мощности, активно 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 № 14.

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 данные и, используя их, сформировать и представить в виде графика внешнюю характеристику стабилизатора UН=f(IН) при неизменном входном напряжении UВХ НОМ= 60 В. Проанализировать полученную информацию.

2.2.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).

2.3.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 СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ НЫНЕ СПОСОБЫ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Стабилизирующий преобразователь напряжения (СПН) является устройством, обеспечивающим на его выходе постоянный уровень напряжения н с определенной, заданной техническими требованиями,

5

точностью при изменении входного напряжения вх и изменениях тока нагрузки н.

Ныне существуют следующие способы стабилизации параметров электрических сигналов и применяются соответствующие структурные схемы СПН (см. таблицу 1, а также рис. 1 а-г).

Основным отличием так называемых «непрерывных стабилизаторов» (НС) от импульсных стабилизаторов (ИС) является дефиниции режимов работы регулирующего элемента (транзистора). В ИС регулирующий транзистор работает в импульсном режиме («отсечка – насыщение»), а в НС рабочая точка регулирующего транзистора находится в активной зоне вольамперной характеристики.

Регулируемый преобразователь – это техническое устройство, в котором процесс регулирования напряжения осуществляется с применением специфической схемы управления (СУ) работающей по принципу широтноимпульсной модуляции (ШИМ).

При централизованном регулировании входного напряжения (рис. 1а) входной стабилизатор напряжения (ВСН) поддерживает неизменным уровень напряжения питания преобразователя, на выходе которого формируется

6

достаточно стабильный уровень электрического потенциала. Такой способ регулирования, как правило, используется в многоканальных источниках электропитания. То есть в том случае, когда на выходе преобразователя необходимо сформировать одновременно несколько уровней выходных напряжений. ВСН, реализованный по такой структурной схеме, в свою очередь, может быть непрерывным («НС+ПН») или же импульсным («ИС+ПН»).

Структурная схема ВСН типа «НС+ПН» применяется в основном для обеспечения электропитания питания устройств, являющихся, по сути дела, маломощной нагрузкой, а также при небольших пределах изменения входного напряжения.

Достоинства схемы «НС+ПН»:

-простота;

-возможность использования так называемых интегральных стабилизаторов.

Недостаток:

-относительно большая потеря мощности в регулирующем транзисторе стабилизатора.

Технические блоки, реализованные с применением структурной схемы «ИС+ПН» являются более экономичными, в первую очередь, благодаря тому факту, что работа регулирующего элемента осуществляется в импульсном режиме. Данные схемы применяются в многоканальных источниках электропитания с уровнями выходной мощности от единиц до нескольких 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 структурной схемы, изображенной на рис. 1 г, целесообразно при проектировании многоканальных источников электропитания с выходной мощностью порядка сотен ватт, так как в вольтодобавочном стабилизаторе (ВДС) регулируется только часть потребляемой мощности и, поэтому, КПД устройства будет выше, в то время как стабилизатор, реализованный по схеме «ИС+ПН», ориентируется, в основном, на регулирование полной мощности.

7

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.

г)

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

8

3.2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМЫ СПН.

ФВЧ1 – входной фильтр высокой частоты (реализован с применением индуктивности L1, а также конденсаторов С1 и С2);

ФВЧ2 – выходной фильтр высокой частоты (реализован с применением индуктивности L3, а также конденсаторов C12 и C13);

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

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

ПР – преобразователь напряжения, который выполнен по двухтактной схеме с самовозбуждением на транзисторах VT3, VT5 и трансформаторе TV с выводом нейтральной точки первичной обмотки W11, W12. Положительная обратная связь, предназначенная для управления транзисторами ПР, обеспечивается с помощью реализации дополнительной обмотки трансформатора W3, а также конденсатора С7, резистора R5 и диодов VD4, VD5;

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

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

Ф1 – П-образный фильтр низких частот (в него входят следующие элементы: L2, С8, C10);

Ф2 - емкостной фильтр С11; СУ – схема управления:

ИОН – источник опорного напряжения, реализованный на резисторе R10 и стабилитроне VD10);

РОН – потенциометр R12;

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

DA1 (типа K140УД6);

ОП (оптопара) – это, так называемый узел гальванической развязки (реализован на оптроне V1);

Схема включения – состоит из диода VD1, конденсатора C5 и резистора

R2.

9

3.3. ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПН.

Как следует из информации, представленной на рис. 2, ПР и РЭ, соединенные между собой последовательно, подключены к входному источнику электропитания питания, обеспечивающему уровень напряжения UВХ. Принцип действия, исследуемого при выполнении данной лабораторной работы СПН, заключается в том, что любое отклонение выходного напряжения UН от некоторого установленного заранее 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, собственно, 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. А это, соответственно, 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.

Принципиальная электрическая схема, исследуемого в ходе выполнения лабораторной работы СПН, представлена на рис. 3. В частности, ПР напряжения выполнен по двухтактной схеме с самовозбуждением (реализован на транзисторах VT3, VT5 и трансформаторе TV с выводом нейтральной точки первичной обмотки W11, W12). Положительная обратная связь, для осуществления управления транзисторами ПР, обеспечивается с помощью ввода в конструктив 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). А выходной сглаживающий фильтр ФНЧ выполнен по П-образной схеме на конденсаторах С8, С10 и дросселе L2.

10