Методичка на лабораторные / Работа1_10

Работа 10. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СТАБИЛИЗАТОРА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы состоит в ознакомлении с совокупностью динамических параметров стабилизатора постоянного на напряжения, выполненного на микросхеме КР142ЕН1Г [3, 5],

Описание принципиальной схемы и схемы включения микросхемы КР142ЕН1Г приведено в лабораторной работе 9.

Непрерывный рост сложности и повышение быстродействия современном радиоэлектронной аппаратуры требует пересмотра структуры построения источников вторичного электропитания и улучшения их динамических характеристик. Все большее распространение получают децентрализованные системы электропитания, в которых стабилизаторы напряжения (СН) выполняют функцию силовых активных фильтров, расположенных в непосредственной близости с потребителем энергии. Основное назначение СН в таких системах электропитания состоит в подавлении возмущении, поступающих как со стороны входных цепей, так и со стороны потребителя энергии.

К общепринятым динамическим параметрам СН относятся: коэффициент подавления пульсаций входного напряжения К_СГ, наибольший выброс u_вых (t₁) и время установления t_уст. выходного напряжения при скачкообразном изменении входного напряжения или тока нагрузки.

10.1. Методика эксперимента и расчетные соотношения

Схема исследуемого стабилизатора постоянного напряжения представлена на рис. 10.1. Система параметров интегральных стабилизаторов напряжения приведена в работе [3].

Для описания динамических свойств СН используется схемная функция петлевого усиления

T_U (p) = T_U /[1 + (τ₁ + τ₂p + τ₁ τ₂p² /α_K, (10.1)

где T_U = K_{U ДУ} [R₂|| R _{вх ДУ} (R₁+ R₂|| R _{вх ДУ} )];

τ₁ ≈ С₂(R _{вх ДУ} || K _1РЭ R _Н ´ ); R _Н ´ ≈ R _Н || (R₁+ R₂ );

τ₂ ≈ С₃(R _П || R _{вы х р} ); α_K, = R _{вы х р} / R *_{вы х р}

Здесь K_{U ДУ}, R _{вх ДУ} , R _{вых ДУ} — коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления усилителя сигнала рассогласования (ДУ); R _{вы х р} — выходное сопротивление СН при разомкнутой петле обратной связи; R *_{вы х р} — значение R _{вы х р} при С₂ → ∞; K _1РЭ — коэффициент усиления по току регулирующего элемента {VT10, VT11).

На рис. 10,2 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) петлевого усиления СН, где ω₁ =1/τ₁, ω₂ =1/τ₂, ω_СР — частота среза, а частота ω₃ отражает влияние па ЛАЧХ T_U (jω) малых постоянных времени, обусловленных инерционностью усилителя сигнала рассогласования и регулирующего элемента.

Рис. 10.1

Рис. 10.2

Соотношение (10.1) справедливо при условии, чти в СН с цепями частотной коррекции ω₃ >>ω_СР. Значения емкостей конденсаторов С2 и C3, определяющие положение частот ω₁ , ω₂ , ω_СР выбираются исходя из получения, требуемых значений наибольшего выброса и времени установления выходного напряжения СН при скачкообразном изменении тока нагрузки.

Коэффициент подавления пульсаций входного напряжения СН определяется соотношением

|К_СГ(jω)| = |К_ПР(jω)| / | 1 + T_U (jω)| = [U _вsх ~ (f) ] / [U _вх ~ (f) ]

где U_вх (f), U _вsх (f) — переменные составляющие входною и выходного напряжения СН; К_ПР — коэффициент прямой передачи СН с разомкнутой петлей отрицательной обратной связи.

Схема измерения К_СГ, приведена на рис. 10.3. Незаземленный низкоомный выход генератора гармонических колебании («выход 2» генератора ГЗ-109) подключается последовательно с источником питания СН. От генератора подается сигнал различной частоты. Амплитуда этого сигнала контролируется осциллографом, подключенным на выход схемы через вспомогательный усилитель А2, Измерения должны проводиться при максимальном синусоидальном выходном напряжении, не имеющем заметных нелинейных искажений.

Рис10.3

Качественную картину переходного процесса на выводе стабилизатора рассмотрим на примере наброса тока нагрузки (i_н(t) = I_н1(t)). Если ЛАЧХ петлевого усиления СН соответствует характеристике, приведенной на рис. 10.2, то на выходе стабилизатора наблюдается колебательный переходный процесс (рис. 10.4,a). Он характеризуется величиной первого наибольшего выброса u_вых (t₁), временем установления t_уст для заданной зоны ошибки установления Δ*U_вых, а также установившейся погрешностью выходного напряжения: ΔU_вsх = R_выsх I_Н, где R_вых — выходное сопротивление замкнутого стабилизатора напряжения.

Время установления t_уст определяется по огибающей экстремумов переходной характеристики, представленной на рис. 10.4.

Работу СН в нелинейном режиме рассмотрим на примере полного сброса тока нагрузки (Δ I_Н = I_Н).

После сброса тока в выходной цепи СН некоторое время t₁ протекает ток, приводящий к излишнему накоплению заряда на конденсаторе нагрузки C3 и появлению соответствующего выброса переходной характеристики (см. рис. 10.4,6, участок 1). Очевидно, что значение этого выброса u_вых (t₁) определяется, как и в предыдущем случае, значениями Δ I_Н , СЗ, а также выходным сопротивлением и инерционностью усилительного тракта, отрабатывающего сигнал обратной связи.

Далее происходит разряд конденсатора нагрузки. Типовые регулирующие элементы, обеспечить этот процесс не могут, так как позволяют реализовать лишь одно (в данном случае— вытекающее) направление выходного тока. При этом регулирующий элемент запирается. Резко изменяются свойства СН. Разряд конденсатора С3 осуществляется по сравнительно высокоомной цепи делителя Rl, R2. В переходной характеристике появляется спадающий участок относительно малой крутизны (см. рис. 10.4,6, участок 2). Третий участок переходного процесса соответствует активному режиму работы регулирующего элемента, четвертый — режиму отсечки и так далее.

Рис. 10.4

Время установления переходного процесса при нелинейном режиме работы СН t´_уст может возрасти в десятки раз по сравнению со временем установления t_уст выходного напряжения СН при активном режиме работы регулирующего элемента (см. рис 10.4,а).

Наброс тока нагрузки, как отмечалось, не приводит к нелинейному режиму работы СН, так как регулирующие элементы при этом обеспечивают отработку всех изменений выходного тока.

Характер переходных процессов (колебательный, апериодический) как при линейном, так и при нелинейном режимах работы СН определяется динамическими свойствами петли отрицательной обратной связи.

Схема лабораторного макета приведена в работе 9 [см. рис. 9.6, где .S — электронный ключ, периодически подключающий сопротивление нагрузки R7; G — генератор прямоугольных импульсов; А2— вспомогательный усилитель (коэффициент усиления 10)].

10.2. Содержание работы

При выполнении работы необходимо произвести:

1. Измерение коэффициента подавления пульсаций входного напряжения СН.

2. Исследование переходных процессов выходного напряжения СН при импульсном изменении тока нагрузки.

10.3. Порядок выполнения работы

1. Собрать СН по схеме рис. 10.1 (переключатель S1 установить в положение 1, С_э = 0,1 мкф). Подать питание и, изменяя входное напряжение в пределах 10 — 15 В, убедиться в исправности СН (выходное напряжение должно установиться 5В±10%).

2. Собрать схему измерения К_СГ (см. рис. 10.2, С₃ = 0,1 мкФ), Переключатель выходного сопротивления генератора гармонических колебании установить в положение 5 Ом, подключить низкоомный незаземленный выход генератора последовательно с источником питания СН. Установить Uип = 15 В. Используя методику, изложенную в разд. 10.1 снять ЛАЧХ К_СГ (f). Измерение переменной составляющей выходного напряжения СН необходимо проводить на выходе вспомогательного усилителя А2 (К_UA2 = 10). Коэффициент подавления пульсаций измерять через декаду в диапазоне частот 100 Гц— 100 кГц. Измерения необходимо проводить при наибольшей амплитуде неискаженного выходного напряжения СН.

3. Зарисовать осциллограммы переходных процессов при набросе и сбросе тока нагрузки для одного значения емкости конденсатора нагрузки Сз = 1 мкФ. Для этого переключатель S1 установить в положение 2, подключить входной конденсатор фильтра С1 и резистор нагрузки R7. Установить Uип = = 10 В и подать питание на СН. Сигнал на осциллограф подать с выхода усилителя А2. Используя внешнюю синхронизацию, получить устойчивое изображение переходного процесса выходного напряжения СН.

4. Снять зависимость t_уст =f₁(С_н) и u_вых (t₁) = f₂ (С_н) для трех значений емкости нагрузки С₃ = 0,1: 0,3; 1,0 мкФ при сбросе и набросе тока нагрузки.

При определении t_уст принять зону ошибки установления Δ*U_вых =10 мВ. При определении u_вых (t₁) и Δ*U_вых необходимо учитывать коэффициент усиления вспомогательного усилителя А2.

10.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

— на этапе подготовки: схему включения микросхемы КР142ЕН1Г и схему измерения К_СГ (см. рис. 10.1 и 10.3);

— после выполнения работы: ЛАЧХ К_СГ (f), осциллограммы переходных процессов при набросе и сбросе тока нагрузки, графики зависимостей t_уст =f₁(С_н) и u_вых (t₁) = f₂ (С_н), выводы по работе.

10.5. Контрольные вопросы

1. Как изменится вид ЛАЧХ K_CT(f) при подключении входного конденсатора фильтра С1?

2. Чем объясняется пилообразный характер переходного процесса выходного напряжения СН при сбросе тока нагрузки?

3. Как зависят параметры переходного процесса (максимальный выброс и время установления) от значения емкости нагрузки С3?