Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка ЛОЭ-АиПУ разработана кафедрой «Автоматика и процессы управления» МГМУ «МАМИ». Установка ЛОЭ-АиПУ представляет единый корпус из ударопрочной пластмассы, внутри которого размещены два блока: вторичный источник электропитания с линейным стабилизатором напряжения и однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером. Для исследования этих блоков контрольные точки выведены на верхнюю панель в виде гнезд для подключения стандартных штыревых разъемов диаметром 4 мм типа «банан».

Принципиальная электрическая схема обоих блоков помещена на верхней панели под прозрачным оргстеклом. Для контроля параметров используются гнезда, расположенные в непосредственной близости от их условных графических обозначений (УГО). Переключатели также находятся на верхней панели в непосредственной близости от их УГО.

Такое решение обеспечивает наглядность работы схемы, компактность, безопасность и надежность. Внешний вид установки ЛОЭ-АиПУ показан на рисунке 9.

Рисунок 9 - Общий вид учебного стенда ЛОЭ АиПУ

Сетевой блок питания содержит плавкий предохранитель, трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения. Принципиальная схема исследуемого блока питания приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема электрическая принципиальная вторичного источника электропитания с линейным стабилизатором напряжения.

Блок питания подключается к электросети через плавкий предохранитель, который размыкает сетевое напряжение в том случае, если ток превысит номинальную величину. После предохранителя ток поступает в первичную обмотку понижающего трансформатора - Т. Вторичная обмотка трансформатора содержит дополнительный отвод, позволяющий снимать пониженное напряжение. Трансформатор необходим также для гальванической развязки с сетью. Передача энергии от первичной обмотки к вторичной осуществляется посредством переменного магнитного поля в сердечнике трансформатора, поэтому фазное напряжение электросети не попадает в цепи, которые питает этот блок. Это необходимо из соображений электробезопасности.

В качестве переключателя напряжения служит переключатель SA2.

Рабочее задание:

1. Измерить истинное среднеквадратическое, амплитудное и действующее напряжения вторичной обмотки трансформатора T для различных нагрузок.

2. Измерить истинное среднеквадратическое, амплитудное и действующее напряжения после выпрямителя для различных нагрузок .

3. Исследовать сглаживающий фильтр и определить коэффициент сглаживания пульсаций.

4. Исследовать стабилизатор напряжения и определить коэффициент стабилизации.

Методические указания

Для измерения напряжений использовать универсальный цифровой прибор АКИП 4107, описание которого и методика настройки подробно даны в лабораторной работе №2. Здесь только напомним, что диапазон входного канала А необходимо установить ±20В, коэффициент развертки - 5ms/div, режим измерения - DC. В панели измерения параметров необходимо установить следующие параметры:

• для истинного среднеквадратического значения – «Перем. СКЗ»;

• для положительной амплитуды синусоидального сигнала и для максимального значения выпрямленного сигнала – «Максимум»;

• для минимального значения выпрямленного и отфильтрованного сигнала – «Минимум» (только для опыта №3, таблицы 4 и 5);

• для действующего напряжения – «СКЗ».

По первому пункту задания выполнить следующие действия:

Тумблер SA7 поставить в верхнее положение (отключить дроссель), тумблер SA8 поставить в верхнее положение (отключить стабилизатор).

Отключить нагрузку (лампы), поставив тумблеры SA3,SA4,SA5 в нижнее положение.

Отключить сглаживающие конденсаторы, поставив тумблеры SA9 и SA10 в нижнее положение, включить однополупериодный выпрямитель, поставив тумблер SA6 в верхнее положение.

Положение переменных резисторов R1 и R4 и переключателя SA11 безразличны, поскольку они относятся к следующей лабораторной работе.

Включить стенд, поставив тумблер SA1 в верхнее положение.

Подсоединить измерительный кабель осциллографа к гнёздам XS6 и XS13, белый или красный к гнезду XS6, чёрный к гнезду XS13.

Выполнить измерения для четырёх случаев минимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в нижнее положение: без нагрузки, с одной включенной лампой(тумблер SA3 поставить в верхнее положение), с двумя включенными лампами(тумблеры SA3 и SA4 поставить в верхнее положение) и с тремя включенными лампами(тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

Выполнить измерения для четырёх случаев максимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в верхнее положение: без нагрузки, с одной включенной лампой(тумблер SA3 поставить в верхнее положение), с двумя включенными лампами(тумблеры SA3 и SA4 поставить в верхнее положение) и с тремя включенными лампами(тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

Для каждого из выше перечисленных случаев, необходимо запустить процесс измерения сигнала нажав на кнопку «пуск» .

Время сбора информации должно быть таким, чтобы на экране осциллографа было не менее трёх периодов сигнала и не более 15, а в панели измерения числа захватов достигло величины - 20.

Для записи параметров сигнала необходимо остановить процесс измерения, нажав кнопку «остановка сбора данных» . Результаты измерения заносятся в Таблицу 1 из столбца «среднее» панели параметров в нижней части экрана.

(Напомним, что категорически запрещается подсоединять заземленный штекер осциллографа черного цвета к незаземленным точкам схемы).

Сделайте вывод о том, как изменяется среднеквадратическое значение напряжения и амплитудное при увеличении нагрузки. Сравните истинное среднеквадратическое и действующее напряжение и сделайте вывод.

Таблица 1

	Без нагрузки		Вкл 1 лампа		Вкл 2 лампы		Вкл 3 лампы
Положение тумблера SA2(min-вниз, max-вверх)	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯
Истинное среднеквадрати-ческое значение напряжения – σ	σ min	σ max	σ min	σ max	σ min	σ max	σ min	σ max
Максимум – Um (положительная амплитуда)	Ummin	Ummax	Ummin	Ummax	Ummin	Ummax	Ummin	Ummax
Действующее напряжение – U2 (вторичная обмотка)	U2min	U2max	U2min	U2max	U2min	U2max	U2min	U2max

По второму пункту задания выполнить следующие действия:

Подсоединить измерительный кабель осциллографа чёрного цвета к гнезду XS14, белого или красного цвета к гнезду XS7.

Тумблер SA7 поставить в верхнее положение (отключить дроссель) и SA8 поставить в верхнее положение (отключить стабилизатор). Отключить сглаживающие конденсаторы, поставив тумблеры SA9 и SA10 в нижнее положение.

Вначале исследуется однополупериодный выпрямитель, когда тумблер SA6 установлен в верхнее положение.

Выполнить измерения для трёх случаев минимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в нижнее положение: с одной включенной лампой(тумблер SA3 поставить в верхнее положение), с двумя включенными лампами(тумблеры SA3 и SA4 поставить в верхнее положение) и с тремя включенными лампами(тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

Повторить опыт для трёх случаев максимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в верхнее положение.

Результаты измерений заносятся в Таблицу 2.

Рассчитайте падение напряжения на выпрямительном диоде как разность максимального напряжения по таблице 1 и максимального напряжения по таблице 2 для трех видов нагрузки (1 лампа, 2 лампы, 3 лампы) и для двух положений тумблера SA2. При расчете брать однотипные величины максимального напряжения из обоих таблиц:

ΔU_d = U_mmin - U_m1min, ΔU_d = U_m max - U_m1 max

Для одного из 6 рассмотренных случаев измерения сделайте скриншот. Для этого нажмите клавишу «Print Screen», запустите программу «Paint», выполните команду «Вставить» и отредактируйте изображение. Скришот вставьте в отчет в качестве приложения.

Сделайте вывод о том как изменяется падение напряжения на выпрямительном диоде при увеличении тока, когда нагрузка становится больше.

Таблица 2. Исследование однополупериодного выпрямителя

	Вкл 1 лампа		Вкл 2 лампы		Вкл 3 лампы
Положение тумблера SA2(min-вниз, max-вверх)	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯
Истинное среднеквадрати-ческое значение напряжения - σ	σ min	σ max	σ min	σ max	σ min	σ max
Максимум- Um1 (после выпрямителя)	Um1min	Um1max	Um1min	Um1max	Um1min	Um1max
Действующее напряжение – U (после выпрямителя)	U min	U max	U min	U max	U min	U max
Расчетное падение напряжения на одном диоде - ΔUd

Затем исследуется двухполупериодный выпрямитель, когда тумблер SA6 установлен в нижнее положение. Методика измерения та же. Результаты измерения заносятся в таблицу 3.

Рассчитайте падение напряжения на двух выпрямительных диодах как разность максимального напряжения по таблице 1 и максимального напряжения по таблице 3 для трех видов нагрузки (1 лампа, 2 лампы, 3 лампы) и для двух положений тумблера SA2. При расчете брать однотипные величины максимального напряжения из обоих таблиц.

ΔU_d2 = U_mmin - U_m2min, ΔU_d = U_m max - U_m2 max

Сделайте вывод о том как изменяется падение напряжения на двух выпрямительных диодах при увеличении тока, когда нагрузка становится больше.

Сделайте вывод о том больше или меньше падение напряжения на двух выпрямительных диодах в двухполупериодном выпрямителе по сравнению с падением напряжения на одном диоде в однополупериодном выпрямителе для однотипных нагрузок.

Для одного из 6 рассмотренных случаев измерения сделайте скриншот. Скришот вставьте в отчет в качестве приложения.

Таблица 3. Исследование двухполупериодного выпрямителя

	Вкл 1 лампа		Вкл 2 лампы		Вкл 3 лампы
Положение тумблера SA2(min-вниз, max-вверх)	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯
Истинное среднеквадрати-ческое значение напряжения - σ	σ min	σ max	σ min	σ max	σ min	σ max
Максимум- Um2 (после выпрямителя)	Um2min	Um2max	Um2min	Um2max	Um2min	Um2max
Действующее напряжение – U (после выпрямителя)	U min	U max	U min	U max	U min	U max
Расчетное падение напряжения на двух диодах - ΔUd2

По третьему пункту задания выполнить следующие действия:

Подсоединить измерительный кабель осциллографа к гнёздам XS15 и XS8, чёрный к гнезду XS15, белый или красный к гнезду XS8.

Вначале исследуется простейший фильтр, когда включён один конденсатор C1, в этом случае тумблер SA9 должен быть установлен в верхнее положение.

Тумблер SA7 поставить в верхнее положение (отключить дроссель), тумблер SA10 поставить в нижнее положение (отключить конденсатор C2) и тумблер SA8 поставить в верхнее положение (отключить стабилизатор). Тумблер SA6 поставить в верхнее положение (включить двухполупериодный выпрямитель).

Выполнить измерения для трёх случаев минимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в нижнее положение: с одной включенной лампой(тумблер SA3 поставить в верхнее положение), с двумя включенными лампами(тумблеры SA3 и SA4 поставить в верхнее положение) и с тремя включенными лампами(тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

Повторить опыт для трёх случаев максимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в верхнее положение.

Результаты измерений заносятся в Таблицу 4.

Первые две строки таблицы заполняются по результатам измерения, а третья и четвёртая рассчитываются по формулам:

U= U_m2 - U_v2 , К_п = U / (U_m2 - U/2).

Таблица 4. Исследование простейшего сглаживающего фильтра (1 конденсатор)

	Вкл 1 лампа		Вкл 2 лампы		Вкл 3 лампы
Положение тумблера SA2(min-вниз, max-вверх)	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯
Максимальное значение сигнала- Um2
Минимальное значение сигнала- Uv2
Величина пульсации U= Um2 - Uv2
Коэффициент пульсаций Кп

Затем исследуется П-образный фильтр, когда включёны два конденсатора C1 и C2, и дроссель L, в этом случае тумблеры SA9 и SA10 должны быть установлены в верхнее положение. Тумблер SA7 поставить в нижнее положение (включить дроссель). Тумблер SA8 поставить в верхнее положение (отключить стабилизатор).

Выполнить измерения для трёх случаев минимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в нижнее положение: с одной включенной лампой(тумблер SA3 поставить в верхнее положение), с двумя включенными лампами(тумблеры SA3 и SA4 поставить в верхнее положение) и с тремя включенными лампами(тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

Повторить опыт для трёх случаев максимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в верхнее положение.

Результаты измерений заносятся в Таблицу 5.

Таблица 5. Исследование П-образного сглаживающего фильтра.

	Вкл 1 лампа		Вкл 2 лампы		Вкл 3 лампы
Положение тумблера SA2(min-вниз, max-вверх)	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯
Максимальное значение сигнала- Um2
Минимальное значение сигнала- Uv2
Величина пульсации U= Um2 - Uv2
Коэффициент пульсаций Кп

Первые две строки таблицы заполняются по результатам измерения, а третья и четвёртая рассчитываются по формулам:

U= U_m2 - U_v2 , К_п = U / (U_m2 - U/2).

Сделать вывод о том, как на коэффициент пульсаций влияет величина нагрузки и какая схема, простейшей или П-образный фильтр обеспечивают наименьший коэффициент пульсаций.

По четвёртому пункту задания выполнить следующие действия:

Измерительный кабель осциллографа остается в тех же гнездах, как в предыдущем опыте, т.е. чёрный к гнезду XS15 и белый или красный к гнезду XS9. Тумблер SA8 поставить в нижнее положение (включить стабилизатор).

Положение тумблеров SA7, SA9 и SA10 выбрать по результатам опыта №3. Поставить тумблеры SA7, SA9 и SA10 в такое положение, которое соответствует минимальной пульсации.

Выполнить измерения для трёх случаев минимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в нижнее положение: с одной включенной лампой (тумблер SA3 поставить в верхнее положение), с двумя включенными лампами(тумблеры SA3 и SA4 поставить в верхнее положение) и с тремя включенными лампами(тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

Повторить опыт для трёх случаев максимального напряжения, когда тумблер SA2 установлен в верхнее положение. Результат измерения записать в верхнюю строку таблицы 6.

Таблица 6. Исследование стабилизатора напряжения.

	Вкл 1 лампа		Вкл 2 лампы		Вкл 3 лампы
Положение тумблера SA2(min-вниз, max-вверх)	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯	min SA2 _↓_	max SA2 ¯↑¯
Действующее напряжение на нагрузке , измеренное после стабилизатора - Uвых
Действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора (переписать из таблицы №1) - U2
Коэффициент стабилизации Кст

Коэффициент стабилизации рассчитайте по формуле:

К_ст =(U₂ max – U₂ min)/( U₂ max) / (U_вых max –U_вых min)/(U_вых max).

Значения U₂ max и U₂ min взять из Таблицы 1 для случаев: «Вкл 1 лампы», «Вкл 2 лампы», «Вкл 3 лампы».

Сделать вывод о том при какой нагрузке коэффициент стабилизации лучше, т.е. К_ст - больше.

Контрольные вопросы:

1. Какие функции выполняют источники вторичного электропитания, и какие два типа ИВЭП известны Вам?

2. Как работают однополупериодный и двухполупериодный мостовой выпрямитель, и каково действующее напряжение на нагрузке в этих двух выпрямитлях?

3. Чему равно обратное напряжение на выпрямительном диоде в однополупериодном выпрямителе чему на каждом диоде в двухполупериодном?

4. Какой из двух выпрямителей работает эффективнее и почему?

5. Каково назначение сглаживающих фильтров и какие типы фильтров известны Вам?

6. На чем основана работа LС – фильтра и что такое коэффициент сглаживания?

7. Как определяется коэффициент стабилизации стабилизатора?

8. Объясните работу параметрического стабилизатора.

9. Как влияет нагрузка на работу стабилизатора?