6. Ознакомление с принципом действия широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения Общие сведения

Широтно-импульсный преобразователь, исследуемый в настоящей работе, преобразует постоянное напряжение источника питания 30 В в регулируемое постоянное напряжение от 0 до 30 В по принципу «модуляция – демодуляция».

Его принципиальная схема приведена на рис. 4.6.1а, а на рис. 4.6.1б – поясняющие временные диаграммы.

На инвертирующий вход компаратора подаётся опорное напряжениеu_оптреугольной формы, а на неинвертирующий вход - регулируемое постоянное напряжениеU_ВХ. На выходе компаратора получаются импульсы, длительность которых зависит от постоянного напряжения на входе компаратора, а частота следования остаётся постоянной. Импульсы подаются на базу биполярного транзистора, который работает в ключевом режиме, включая и выключая нагрузку. Тем самым осуществляется широтно-импульсная модуляция второго рода (ШИМII). Среднее напряжение на нагрузки пропорционально отношению длительности включённого состояния к длительности цикла:U_Н=U_ПИТT_ВКЛ/T.

Рис. 4.6.1

Для сглаживания пульсаций (демодуляция) используется индуктивно-ёмкостный фильтр, вход которого зашунтирован диодом для замыкания тока во время отключённого состояния транзистора.

Экспериментальная часть Задание

Ознакомиться экспериментально с работой широтно-импульсного модулятора. Снять регулировочную характеристику широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения.

Порядок выполнения экспериментов

• Соберите на наборном поле цепь широтно-импульсного преобразователя (рис. 4.6.2).

• Установите на выходе генератора напряжений специальной формы треугольное напряжение максимальной амплитуды и частоты 20…30 кГц. Ручку регулятора постоянного напряжения -13…+13 В установите примерно в среднее положение и включите блок генераторов напряжений.

• Включите мультиметры и осциллограф, настройте усиление, развёртку и синхронизацию осциллографа (от канала I). Регулируя постоянное напряжение на входе компаратора, наблюдайте на экране осциллографа за изменением напряжения на входе фильтра и на нагрузке.

Рис. 4.6.2

• В среднем положении ручки регулятора перерисуйте изображение кривых u_вх(t) иu_н(t) на рис. 4.6.3. Укажите масштабы.

• Удалите из схемы конденсатор и уясните, как он влияет на форму напряжения на нагрузке. Зашунтируйте индуктивность и оцените её влияние на напряжение нагрузки.

• Регулируя постоянное напряжение на входе компаратора, снимите зависимость среднего значения напряжения на нагрузке от входного напряжения U_Нот U_ВЫХ(табл 4.6.1). На рис. 4.6.4 постройте график.

Рис. 4.6.3

Таблица 1

UВХ, В
UН, В

Рис. 4

7. Исследование интегрального импульсного преобразователя-стабилизатора напряжения с частотно-импульсной модуляцией Общие сведения

В работе исследуется импульсный стабилизатор напряжения на интегральной микросхеме ADP1111-5. Относительная длительность импульсов в ней регулируется путём изменения частоты следования импульсов. Управляющие импульсы (или один импульс) вырабатываются при снижении напряжения на нагрузке ниже заданной величины, тогда как длительность импульсов остаётся неизменной.

Микросхема может работать в составе, как повышающего, так и понижающего стабилизатора напряжения с индуктивным накопителем. Она имеет фиксированное выходное напряжение 50,25 В. В режиме повышения напряжения входное напряжение может быть от 2 до 5 В, в режиме понижения напряжения – не более 30 В. Выходное напряжение может быть увеличено подключением одного добавочного резистора. В микросхеме имеется также устройство ограничения тока через выходной транзистор (и через последовательно включённую индуктивность) за счёт уменьшения времени включённого состояния транзистора.

Упрощённая структура этой микросхемы показана на рис. 4.7.1. Она содержит источник опорного напряжения (ИОН), компаратор, мультивибратор и выходной транзистор. На один вход компаратора подаётся опорное напряжение 1,25 В, на другой – часть выходного напряжения (напряжение обратной связи U_ОС). Если напряжение обратной связи ниже 1,25 В работает мультивибратор с частотой 72 кГц (скважность50 %), и с такой же частотой включается и выключаетcя выходной транзистор. Длительность включённого состояния составляет примерно 7c, время выключенного состояния также 7cЕсли напряжение обратной связи ниже 1,25 В, мультивибратор не работает и транзистор остаётся закрытым.

Рис. 4.7.1

На рис. 4.7.2а показана принципиальная схема повышающего стабилизатора напряжения с этой микросхемой, а на рис. 4.7.2б временные диаграммы его работы. На отрезке времени от 0 до t₁транзистор открыт (U_КЭ0), напряжениеU_ВХприложено к индуктивности, ток в ней растёт и накапливается энергия. В это время диод заперт, и конденсатор разряжается на нагрузку. Напряжение на нём падает.

В момент времени t₁транзистор закрывается, и индуктивный ток вынужден замыкаться через диод и нагрузку. Конденсатор заряжается, напряжение на нём растёт, энергия магнитного поля отдаётся в нагрузку и в конденсатор, а ток в индуктивности уменьшается. При этом ЭДС самоиндукции катушки складывается с входным напряжением, и напряжение на нагрузке больше входного напряжения (U_КЭU_ВЫХ).

В момент времени t₂ток через индуктивность и диод снижается до нуля, диод закрывается, транзистор также закрыт. При этомU_КЭU_ВХ. Конденсатор разряжается на нагрузку и, если в момент времениt₃, напряжение обратной связи окажется меньше, чем 1,25 В, вновь подаётся отпирающее напряжение на транзистор. Цикл повторяется. Отпирающее напряжение подаётся на транзистор даже если ток в индуктивности и не снизился к моменту времениt3 до нуля (показано на рис. пунктиром). Если к моменту времениt₃ напряжение обратной связи окажется больше 1,25 В, бестоковая пауза продлится до момента, кода оно станет меньше опорного напряжения 1,25 В.

Рис. 4.7.2

При увеличении входного напряжения увеличивается амплитуда импульса тока и увеличивается время бестоковой паузы. После достижения некоторого определённого значения, импульс тока перестаёт увеличиваться, но сокращается его длительность. Таким образом, при увеличении приложенного напряжения сначала относительная длительность включённого состояния регулируется увеличением периода цикла, а затем – уменьшением длительности включённого состояния. При уменьшении тока нагрузки также увеличивается длительность бестоковой паузы.

Выходное напряжение стабилизатора может быть увеличено. Для этого в цепи обратной связи последовательно с сопротивлением 220 кОм (см. рис. 4.7.1) необходимо включить добавочное сопротивление, чтобы уменьшить ту часть выходного напряжения, которая поступает на вход компаратора для сравнения с опорным напряжением.

Принципиальная схема понижающего стабилизатора приведена на рис. 5.7.3а, а временные диаграммы его работы – на рис. 4.7.3б. В этой схеме индуктивность в течение всего цикла остаётся соединённой последовательно с нагрузкой.

На отрезке времени от 0 до t₁транзистор открыт, напряжениеU_ВХприложено к нагрузке с последовательно включённой индуктивностью. Диод, включённый параллельно этой цепи закрыт. Ток в индуктивности возрастает, и ней накапливается энергия. Конденсатор заряжается, напряжение на нём растёт.

В момент времени t₁транзистор закрывается, и индуктивный ток вынужден замыкаться через диод и нагрузку. Энергия магнитного поля отдаётся в нагрузку и в конденсатор, а ток в индуктивности уменьшается. При этом нагрузка отключена от источника и напряжение на ней равно ЭДС самоиндукции катушки.

Рис. 3

В момент времени t₂ток через индуктивность и диод снижается до нуля, диод закрывается, транзистор также закрыт. Конденсатор разряжается на нагрузку и, если в момент времениt₃, напряжение обратной связи окажется меньше, чем 1,25 В, вновь подаётся отпирающее напряжение на транзистор. Цикл повторяется, даже если ток в индуктивности и не снизился к этому времени до нуля (показано на рис. пунктиром). Если к моменту времениt₃ напряжение обратной связи окажется больше 1,25 В, бестоковая пауза продлится до момента, кода оно станет меньше опорного напряжения 1,25 В.

Также как и в схеме повышающего напряжения при увеличении входного напряжения увеличивается амплитуда импульса тока и увеличивается время бестоковой паузы. При достижении некоторого определённого значения импульс тока перестаёт увеличиваться, но сокращается его длительность. При уменьшении тока нагрузки также увеличивается длительность бестоковой паузы.