Лабораторная работа № 6 Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения

Цель работыОзнакомиться с принципом действия релейного стабилизатора, стабилизаторов с ши­ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) и частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ), иссле­довать один из этих стабилизаторов.Содержание работы

1. Снять внешнюю характеристику стабилизатора при постоянном входном напряжении, определить внутреннее сопротивление и коэффициент стабилизации.

2. Снять нагрузочную характеристику стабилизатора при постоянном сопротивлении на­грузки, определить коэффициент стабилизации.

3. Снять зависимости напряжения и частоты выходного напряжения при изменяющемся входном напряжении и постоянном токе нагрузки, а также при изменяющемся токи нагрузки и постоянном напряжении сети.

4. Получить осциллограммы токов и напряжений в силовой и управляющей цепях стабили­затора, оценить степень их отличия от теоретических.

Объекты исследования

1. Импульсный стабилизатор релейного типа.

2. Импульсный стабилизатор с ШИМ.

3. Импульсный стабилизатор с ЧИМ.

Оборудование и приборы

1. Вольтметры и амперметры постоянного тока для измерения входных и выходных то­ков и напряжений (расположены на передней панели лабораторного макета).

2. Осциллограф.

3. Электронно-счетный частотомер.

Принцип действия импульсных стабилизаторов

     В импульсных стабилизаторах (ИСН) регулирующий транзистор работает в режиме пере­ключения, в результате чего рассеиваемая на нем мощность гораздо меньше, а КПД выше, чем в непрерывном стабилизаторе. Структурная схема импульсного стабилизатора (рис. 1, а) содержит силовую цепь и схему управления СУ. а)

б)

Рис. 1

     Силовая цепь состоит из регулирующего транзистора VT, дросселя Др, конденсатораСи обратного диодаVD. При открытом транзисторе в течение времениэнергия от входного источника постоянного токапередается в нагрузку через дроссель Др, в котором накапли­вается энергия. При закрытом транзисторе в течение временинакопленная в дрос­селе энергия поступает в нагрузку через диодVD.Период коммутацииЧастота коммутацииОтношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс напряжения длительностью, к периоду коммутацииТназывается коэффициен­том заполненияВ импульсном стабилизаторе регулирующий элемент преобразует (моделирует) входное постоянное напряжениев серию импульсов, а сглаживающий фильтр, состоящий из диодаVD, дросселя Др и конденсатораС, демодулирует их опять в постоянное напряжение. При изменении входного напряженияили ток в нагрузкес помощью цепи обрат­ной связи (схемы управления СУ) длительность импульсов изменяется таким образом, что выходное напряжениеподдерживается постоянным с определенной степенью точно­сти. В таком стабилизаторе, поэтому он называется понижающим. Существуют повышающийи инвертирующийстабилизаторы, силовые цепи которых состоят из тех же элементов, что и понижающего, но включены в другом порядке. Чаще применяется понижающий стабилизатор, как имеющий меньшее внутреннее сопротив­ление.      В зависимости от способа стабилизации выходного напряжения различают стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ), ре­лейные стабилизаторы.      В ИСН с ШИМ (рис. 2, а) длительность импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра при постоянной частоте их следования обратно пропорциональна значению. а)

б)

в)

Рис. 2

     В ИСН с ЧИМ (рис. 2, б) длительность импульсов напряжения является постоянной вели­чиной, а интервалы между ними изменяются пропорционально (следовательно, частота об­ратно пропорциональна) .      В релейном стабилизаторе формирование импульсов происходит в моменты пересечения напряжениемдвух горизонтальных уровней: нижнего - при формировании фронта и верх­него - при формировании среза. Поскольку изменениев зависимости отимо­жет быть различным, то и частота в такой системе р егулирования может изменяться в широ­ких пределах (рис. 2, в).      ИСН с ШИМ имеют следующие преимущества по сравнению со стабилизаторами двух других типов:      обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования, которая является неизменной, что имеет существенное значение для большинства потребителей;      реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неогра­ниченного числа ИСН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИСН от общего первичного источника.      Недостатком ИСН с ШИМ в отличие от стабилизаторов релейного типа является более сложная схема управления.      Отсутствие у ИСН с ЧИМ и релейных свойств, определяющих преимущества ИСН с ШИМ, является недостатком первых двух. К недостаткам релейного стабилизатора отно­сятся большие пульсации напряжения на нагрузке, а к его преимуществам - простота схемы управления.      В зависимости от индуктивности дросселя, тока нагрузки, частоты преобразования, вход­ного и выходного напряжений все три типа импульсных стабилизаторов независимо тот спо­соба стабилизации выходного напряжения могут работать в режиме непрерывных или пре­рывистых токов, протекающих через дроссель. Временные диаграммы изменений токов и напряжений в установившемся режиме для стабилизатора понижающего типа приведены на рис. 3.      В момент поступления импульса управляющего напряжения транзистор открывается, и поскольку диодVDиз-за его инерционности не может мгновенно включаться, все напряже­ние питания оказывается приложенным к переходу коллектор-эмиттер транзистора. Его кол­лекторный ток начинает резко возрастать до максимального значения, которое зависит от скорости нарастания базового тока, коэффициента усиления и частотных свойств транзи­стора, а также от времени рассасывания неосновных носителейв базовой области сило­вого диода. Если частотные свойства транзистора намного хуже импульсных свойств диода, то выброс коллекторного тока отсутствует.      С моментаобратный ток диода уменьшается до, коллекторный ток транзистора падает до: адо напряжения насыщения. В течение времениток, проте­кающий через дроссель, увеличивается до, напряжение на диоде равняется.      После окончания импульсатранзистор закрывается через время рассасыванияи ток дросселя начинает спадать через открытый диод до. При этом напряжение. Затем весь процесс повторяется.

Рис. 3

     Если индуктивность дросселя будет меньше некоторой критической величины, возникает режим прерывистых токов (в некоторые отрезки времени ).      Недостатками режима прерывистых токов являются:      увеличение пульсаций напряжения на нагрузке, так как в некоторые отрезки времени дроссель не участвует в сглаживании переменного напряжения. Поэтому при проектирова­нии ИСН необходимо избегать режима прерывистых токов дросселя.Методика расчета силовой цепиИсходными данными для расчета ИСН являются: напряжениеи пределы его изменения; номинальное выходное напряжениеи допустимые пределы его регулировки; максимальныйи минимальныйтоки нагрузки; допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения; коэффициент стабилизации Кст; частота преобразования f.

1. Принимаем ориентировочно КПД стабилизатора .

2. Минимальное и максимальное значения относительной длительности (коэффициент за­полнения) импульса напряжения на входе фильтра

3. Из условия сохранения режима непрерывности токов дросселя определяем его мини­мальную индуктивность:

4. Вычисляем произведение LC по заданному значению пульсации: и определяем L и C с учетом (1) и (2).

5. Амплитуда тока через конденсатор

6. Среднее и предельные значения тока дросселя Выбираем типовой дроссель по [6].

7. Принимаем и с учетом частоты преобразования по [4] или [5, c. 7] выбираем регулирующий транзистор по току и напряжениюили;.

8. Выбор импульсного диод производится с учетом частоты преобразования по прямому току и обратному напряжению:,Справочные данные о некоторых импульсных диодах приведены в [3, c. 43] и [5, c. 5].

9. Потери мощности на транзисторе определяются в основном потерями в режиме насыще­ния и динамическими(в моменты переключения):

10. Потери мощности на диоде определяются потерями в прямом направлении и динамиче­скими потерями при его выключении:

11. Потери мощности в дросселе

12. КПД силовой цепи стабилизатора

13. Коэффициент передачи схемы управления, устанавливающий связь между измене­ниями относительной длительности импульсов на входе сглаживающего фильтра и напряженияна нагрузке,

Домашнее задание

1. Начертите принципиальную схему силовой цепи ИСН понижающего типа.

2. Приведите диаграммы изменений напряжений и токов в ИСН понижающего типа при повышении (понижении) входного напряжения и тока нагрузки . Тип стабилиза­тора, характер внешнего воздействия и виды временных диаграмм приведены в табл. 1.

Таблица 1

Номер вари­анта	Тип системы регулиро­вания	Характер внешнего воз­действия	Временные диа­граммы
1	ШИМ	Повышение UП	uу, ik, iL, uд
2		Понижение UП	uу, uкэ, iд, uc
3		Повышение Iн	uу, iL, uкэ, iд
4		Понижение Iн	uу, ik, iд, uc
5	Релейный	Повышение UП	uу, ik, iL, iд
6		Понижение UП	uу, ik, uд, uc
7		Повышение Iн	uу, iL, uкэ, uд
8	ЧИМ	Понижение Iн	uу, iд, uкэ, iL
9		Повышение Iн	uу, iL, uд, uкэ
10		Понижение UП	uу, ik, iд, uc

Индексы означают: y - выход системы управления; к - коллектор силового транзистора; д - диод. Следует привести не менее трех импульсов . Номер варианта узнайте у преподава­теля.

3. Рассчитайте силовую цепь ИСН. Выберите транзистор и блокирующий диод. В табл. 2 приведены данные для расчета: входное напряжение и пределы его изменения; номинальное выходное напряжение; максимальныйи минималь­ныйтоки нагрузки; допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения ста­билизатора; коэффициент стабилизации Кст; частота коммутацииf.

Таблица 2

Номер варианта	, В	, В	-, А	, мВ	Kст	f, кГц
1	203	5	0,2-1	50	50	10
2	205	5	0,1-0,5	30	50	10
3	183	5	0,5-1	70	70	8
4	205	5	0,5-1	40	100	10
5	164	5	0,1-1	100	50	5
6	144	5	0,5-1	100	50	4
7	153	5	0,5-1	100	70	6
8	153	5	0,5-1	80	50	5
9	205	9	0,2-1	40	50	8
10	18 6	9	0,1-1	50	50	8

4. Сформулируйте требования к быстродействию регулирующего транзистора и блоки­рующего диода.

5. Укажите элементы принципиальных схем ИСН, включенные для уменьшения коммута­ционных помех.

6. Приведите формулы для расчета КПД, внутреннего сопротивления и коэффициента ста­билизации ИСН по экспериментальным данным.