Лабораторная работа №15 исследование преобразователя постоянного напряжения

1. Цель работы

Изучение схемы и принципа действия стабилизированного преобразователя постоянного напряжения (СППН) и экспериментальное определения его параметров.

2. Литература

1. Китаев В.Е. и др. Электропитание устройств связи. - М.: Связь, 1975, - С. 218-219, 196-199.

2. Доморацкий О.А., Жерненко А.С. и др. Электропитание устройств связи. - М.: Связь 1981. С. 203-213.

3. Александров Ф.И. Импульсные полупроводниковые преобразователи и стабилизаторы. - 1970, С. 27-30.

4. Источники электропитания РЭА / Под. Ред. Г.С. Найвельта, 1986.

5. Электропитание устройств связи. Учебник для высших учебных заведений. / Под. Ред. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988. С. 196-213.

3. Подготовка к работе

1. Изучить теоретический материал по литературе / 2.1./.../2.5./ и приложение к данной лабораторной работе:

• краткие сведения. Особенности структурного и функционального построения преобразователей постоянного напряжения (см. Приложение П15.1);

• некоторые особенности и ограничения, накладываемые на схемотехническую реализацию отдельных функциональных узлов преобразователя (см. Приложение П15.2.);

• процессы функционирования в транзисторном преобразователе с самовозбуждением (см. Приложение П15.3.);

• особенности лабораторной установки (см. Приложение П15.4.)

• процессы функционирования исследуемого транзисторного преобразователя электрической энергии (см. Приложение П15.2);

1. Ознакомиться с методическими указаниями к данной лабораторной работе.

2. подготовить бланк отчёта, где привести информацию, необходимую (по мнению студента) в дальнейшем для выполнения лабораторной работы.

3. Необходимо уяснить назначение каждого элемента преобразователя, цель каждого опыта, ожидаемые результаты.

4. Ответить на контрольные вопросы.

5. Подготовить осциллограф к работе в режиме непрерывной развёртки с закрытым входом с синхронизацией от сети в диапазоне 1 - 5 кГц.

4. Контрольные вопросы

1. В чём отличие импульсных стабилизаторов от стабилизированных преобразователей постоянного тока?

2. объясните принцип действия стабилизированного преобразователя постоянного напряжения (рис. 15.1.).

3. Каковы принцип действия и назначение элементов накопительного сглаживающего фильтра СППН? Как выглядят осциллограммы напряжений и токов элементов накопительного сглаживающего фильтра СППН?

4. Как оценивается коэффициент заполнения на входе накопительного фильтра СППН?

5. Как определяется коэффициент сглаживания накопительного фильтра?

6. Какой вид имеют внешние характеристики нестабилизированного и стабилизированного преобразователей и в чем причины их различия?

7. В чем преимущества и недостатки импульсных стабилизированных преобразователей по сравнению со стабилизаторами непрерывного действия?

5. Содержание работы

1. Изучить теоретический материал по рекомендованной литературе, Назначение, особенности структурного, функционального, схематического построения преобразователей электрической энергии, а так же и процессы их функционирования.

2. Исследовать внешние характеристики преобразователей постоянного напряжения

приU₁ = const

3. Определить КПД, выходное сопротивление и нестабильность выходного напряжения СППН при изменении тока нагрузки.

4. Исследовать СППН при изменении напряжении источника переменного электропитания:

• зависимости выходного напряжения СППН от изменения входного напряжения U₂=f(U₁)

Определить коэффициент стабилизации.

5. Исследовать процессы функционирования преобразователя постоянного напряжения.

6. Выводы

6. Содержание отчёта

Отчёт о проделанной работе должен содержать ;

1. Принципиальную, электрическую, функциональную, структур- ную схемы преобразователя в целом или его функциональных узлов и схему его подключения к первичному источнику питания (объём представления указанного материала ограничивается и конкретизируется преподавателем).

2. Технические данные использованных в работе измерительных приборов.

3. Таблицы с результатами измерений и расчетов.

4. Графики внешних характеристик нестабилизированного и стабилизированного преобразователей постоянного напряжения

U₂ = f (I₂) при U₁ = const

5. Значения выходного сопротивления и значения нестабильности выходного напряжения СППН при изменении тока нагрузки от минимального до максимального значения. График зависимости коэффициента полезного действия СППН от выходной мощности =f(P₂).

6. График зависимости выходного напряжения СРРН от изменения входного напряжения и зависимости нестабильности напряжения на выходе: U₂=f(U₁),N₂=f(N₁).

7. Осциллограммы тока через дроссель фильтра i_L =f(t) и напряжения на входе фильтра СППН приU₁= 0.85U_1номиU₁=1,1U_{1 нои}в одинаковом (для токов и соответственно для напряжений) масштабе. Значение коэффициента заполнения "К_э", коэффициента сглаживания "q" накопительного фильтра и коэффициента пульсаций Кп₂на выходе СППН для номинального режима его работы.

8. Выводы.

6. Методические указания к выполнению лабораторной работы.

1. Принципиальная схема исследуемого СППН изображена на рис. 15.1. Описание принципа действия СППН и работа схемы рис. 15.1 приведены в приложении. СППН имеет следующие данные:

• номинальное входное напряжение - 27В;

• номинальное выходное стабилизированное напряжение - 3В;

• номинальный выходной ток - 1А.

Для производства испытаний и измерений в схеме рис. 15.1 установлен автотрансформатор типа ЛАТР-2 для регулирования переменного напряжения на входе мостовой схемы выпрямителя, питающего вход СППН.

Постоянное напряжение и ток на входе стабилизатора измеряются вольтметром PU1 и амперметромPA1. Сопротивление нагрузки изменяется с помощью поворота рукоятки реостатаRн. Выходное напряжение и ток измеряются вольтметромPU2 и амперметромPA2. Гнёзда Х1 - Х6 позволяют наблюдать осциллограммы токов и напряжений в соответствующих точках схемы.

7.1. Программа и порядок изучения теоретических вопросов.

К пункту 5.1. Изучить назначение, особенности структурного, функционального, схемотехнического построения преобразователей электрической энергии и процессы их функционирования.

Изучить особенности схемотехнического исполнения лабораторной установки (см. Приложение 15.1)

Получить у преподавателя контрольные вопросы по изученному материалу и подготовить ответы на них.

Уточнить у преподавателя форму и объём их представления в отчёте.

ПРИМЕЧАНИЕ. Не допускается дальнейшее выполнение лабораторной работы без разрешения преподавателя. Обязательным условием к допуску для выполнения работы является уяснение особенностей схемотехнического исполнения лабораторной установки. (см. Приложение 15.1)

7.2. Исследование внешних характеристик преобразователя напря­жения.

К пункту 5.2.Для снятия внешней характеристики нестабилизированного преобразователя отключается цепь обратной связи, т.е. размыкается ключSAI(ключSAIустанавливается в положение "2(НСт)"). Подключается макет к сети, установив переключательSAcв положение "1".С помощью регулируемого ав­тотрансформатора ТV1 устанавливается входное напряжениеU₁=20В, которое контролируется с помощью вольтметра РUI, при минимальном токе на выходе преобразователя I₂=0,5А, который контролируется с помощью амперметра РА2. Ток на вы­ходе преобразователя изменяется от 0,5до 1А плавным изме­нением величины Rн. Выходное напряжение преобразователяU₂контролируется с помощью вольтметраPU2. Результаты измерений(5 - 6 точек) заносятся в таблицу 15.1,на основании которой и строится внешняя характеристика.

U₁= 20B(напряжение питания) Таблица 15.1

№	U2	I2
измерения	B	A
1 . . . 6

Для снятия внешней характеристики стабилизированного преобра­зователя включается цепь обратной связи, т.е. замыкается ключSAI (ключ SА1 устанавливается в положение "IСт)" и далее с помощью регулируемого автотрансформатораTVIустанав­ливается входное напряжениеU₁=27В. Ток на выходе преоб­разователя изменяется от 0,5до 1А плавным изменением вели­чиныRн. ТокI₁,потребляемый преобразователем от источника первичного электропитания контролируется с помощью амперметра РА1. Остальные измеряемые величины контролируются аналогич­но случаю нестабилизированного преобразователя. Результаты измерений (5 - 6 точек) заносятся в табл.15.2.

U_1Н= 27В;U_2Н= 3В Таблица 15.2

№	Опытные данные				Расчётные данные
измер.	U1	I1	U2	I2	P1	P2	
	В	А	В	А	Вт	Вт	%
1 2 . .

По результатам измерений (табл. 15.1, 15.2.)строятся внешние характеристикиU₂=f(I₂) для нестабилизированного и стабилизированного преобразователей в единой координатной системе.

7.3.Определение КПД, выходного сопротивления и нестабильности вы­ходного напряжения СППН при изменении тока нагрузки. К пункту 5.3.Коэффициент полезного действия СППН определя­ется следующим образом:

,

где Р₁ =U₁I₁ ,P₂=U₂I₂ .

Выходное сопротивление СППН определяется выражением

r_ст=U₂/I₂

где U₂ = U_{2 max} - U_{2 min} ; I₂ = I_{2 max} - I_{2 min}.

Необходимо убедиться, что г_ст<<R_н.

Нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки от I_{2 max} доI_{2 min}

N₂= (U₂/U_2ном)100%

Значения P₁ , P₂, U_{2 max},U_{2 min}берутся из таблицы 15.2.

7.4.Исследование СППН при изменении напряжения источника пер­вичного электропитания.

К пункту 5.4.Для снятия зависимости выходного напряжения, т.е. характеристики стабилизации по входу, необходимо с по­мощью регулируемого автотрансформатораTV1установить номинальное напряжение на входе и выходе СППН (U_{1 ном}= 27В,U_{2 ном} = 3В), контролируя их значения с помощью вольтметровVAI,VA2, и номинальный ток на выходе I_{2 ном} = 1А с по­мощью изменения величиныRн, контролируя его с помощью амперметра РА2. Изменять входное напряжение в пределах +10% -15%отU_1ном,т.е. в пределах от22до 30В. Ре­зультаты измерений (5-6точек )заносятся в табл. 15.3.

Таблица 15.3.

№ измер.	Опытные данные		Расчётные данные
	U1 В	U2 В	U1 В	U2 В	N1 %	N2 %	Кст -
1 2 . 6

В расчетной части табл. 15.3 величины определяются следующим образом

U₁= /U₁ -U_{1 ном}/;U₂= /U₂-U_{2 ном}/;

N₁= (U₁/U_1ном)100% - нестабильность входного напряжения, в %;

N₂= (U₂/U_{2 ном})100% - нестабильность выходного напряжения, в %;

Коэффициент стабилизации стабилизированного преобразователя в заданном диапазоне изменения входного напряжения +10% -15% отU_1номопределяется по формуле

,

где U_1max,U_1min-максимальное и минимальное значения входного напряжения, в диапазоне которого определяется коэффициент стабилизации к_ст.

U_2max,U_2min-напряжение на нагрузке стабилизированного преобразователя , соответствующее напряжениямU_1max и U_1min

При расчете к_ст.целесообразно выбрать из табл. 15.3 два участка измененияU₁:

1. при повышении входного напряжения в диапазоне 1,1U_1ном.1.0U_1ном, т.е. (3027)В

2)при понижении входного напряжения,т.е. в диапазоне 1,0U_1ном 0,85U_1ном., т.е. (27-22)В и сравнить полученные значения к_ст..

7.5. Исследование процессов функционирования преобразователя постоянного напряжения.

К пункту 5.5.Для исследования процессов функционирования накопительного фильтра при номинальном входном и выходном напряжении СППН зарисовать осциллограммы в гнездах XI -Х6. Форма тока через накопительный дроссельL1 получается на­ложением (сложением) осциллограмм в гнездах XI-Х2 и Х2-ХЗ. Для оценки изменения коэффициента заполнения на входе накопительного фильтра СППН в гнездах Х2 -Х4 зарисовываются в масштабе (по клеткам маски экрана осциллографа) осциллограммыUx₂-x₄приU₁=0,85U_{1 ном} (рис.15.2в) и приU₁=l,lU_{1 ном} (рис.15.2б). Далее вычисляется коэффициент заполнения Кэ =t_н/T. Для определения коэффи­циента сглаживания q накопительного фильтра используют осциллограммы, наблюдаемые в гнездах Х2-Х4и Х5-Х6 .

а) б) в)

Рис.15.2

При использовании этих осциллограмм необходимо учитывать измене­ние масштаба оси амплитуд, если оно производилось с помощью перек­лючателя осциллографа "Ф/дел.". Тогда

где U_{X2 - X4} и U_{X5 - X6} -отсчитываются в клетках экрана ос­циллографа с учетом масштаба переключателя осцил­лографа "В/дел".

Коэффициент пульсации выходного напряжения СППН

где U_-напряжение, измеренное в гнезде Х5 –Х6 вольтметром переменного тока или с помощью осциллографа с учетом масштабного множителя "Вольт/деление".

Примерный вид осциллограмм на выходе накопительного фильтра СППН, иллюстрирующих принцип стабилизации методом ШИМ (влияние коэффи­циента заполнения Кз на величину выходного напряженияU_2ном ), изображен на рис. 15.2(а,б,в).