Описание лабораторной установки

Лабораторная установка ЛОЭ-АиПУ разработана кафедрой «Автоматика и процессы управления» Московского государственного машиностроительного университета (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 также помещена на верхней панели под прозрачным оргстеклом. Для контроля параметров используются гнезда, расположенные в непосредственной близости от их условных графических обозначений (УГО). Переключатели так же 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 11.

Рисунок 11 - 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 12.

Рисунок 12 - Схема электрическая принципиальная вторичного источника электропитания с линейным стабилизатором напряжения.

Блок питания подключается к электросети через плавкий предохранитель и выключатель SA1. 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 среднеквадратическое значение переменной составляющей, среднеквадратичные действующие и амплитудное напряжения вторичной обмотки трансформатора T для различных нагрузок.

2. Измерить среднеквадратическое значение переменной составляющей, среднеквадратичные действующие и амплитудное напряжения после выпрямителя для различных нагрузок.

3. Исследовать влияние сглаживающего фильтра на форму выпрямленного напряжения.

4. Исследовать влияние стабилизатора напряжения на форму выпрямленного 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. 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 среднеквадратического значения переменной составляющей - «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 среднеквадратичного действующего напряжения – «СКЗ».

1. Измерить среднеквадратическое значение переменной составляющей, среднеквадратичное действующее и амплитудное напряжения вторичной обмотки трансформатора T для различных нагрузок.

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 нижнее 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 от вывода “CHA” осциллографа к гнёздам XS6 и XS13, белый или красный к гнезду XS6 и чёрный к гнезду XS13.

Выполнить измерения для четырех 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 стремя включенными лампами (тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

Выполнить измерения для четырех 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 стремя включенными лампами ( тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение). Для этого щелкнуть один раз по кнопке «+» на пиктограмме и выбрать сначала тип измерения«Перем. СКЗ», затем щелкнуть один раз по кнопке «+» на пиктограмме и выбрать тип измерения «Максимум» и потом «СКЗ».

Для каждого измерения, необходимо запустить процесс измерения сигнала нажав на кнопку пуск и дождавшись в нижней правой гафе«Число захватов» числа 20 , нажать на кнопку пуск еще раз. Коэффициент развертки должен быть таким, чтобы на экране осциллографа было не менее трёх периодов сигнала и не более 15. Останавливать процесс измерения можно также, нажав на 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 и амплитудное значения напряжения 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 ¯¯↑¯
Переменное среднеквадратическое значение напряжения - σ	σmin	σmax	σmin	σmax	σmin	σmax	σmin	σmax
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

2. Измерить среднеквадратическое значение переменной составляющей, среднеквадратичное действующее и амплитудное напряжения после выпрямителя для различных нагрузок.

Подсоединить измерительный кабель осциллографа чёрный к гнезду XS14 и белый или красный к гнезду XS7.

Тумблер SA7 должен быть в верхнем положении (отключить дроссель), тумблер SA8 должен быть в верхнем положении (отключить стабилизатор). Сглаживающие конденсаторы должны быть отключены, тумблеры SA9 и SA10 должны быть в нижнем положении.

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

Выполнить измерения для трех 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 стремя включенными лампами ( тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

Повторить опыт для трех 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 (U_mmin из таблицы 1 , а U_m1min и U_m1max из таблицы 2 :

ΔU_d = U_mmin - U_m1min , ΔU_d = U_mmax - U_m1max

Для одного из 6 рассмотренных случаев измерения сделайте скриншот. Для этого нажмите клавишу «Print Screen», запустите программу «Paint», выполните команду «Вставить» и отредактируйте изображение. Скриншот 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

	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 ¯¯↑¯
Переменное среднеквадратическое значение напряжения - σ	σmin	σmax	σmin	σmax	σmin	σmax	σmin	σmax
Максимум - Um1 (положительная амплитуда)	Um1min	Um1max	Um1min	Um1max	Um1min	Um1max	Um1min	Um1max
Действующее напряжение - U (вторичная обмотка)	Umin	Umax	Umin	Umax	Umin	Umax	Umin	Umax
Расчетное падение напряжения на одном диоде - ΔUd

Затем исследуется двухполупериодный выпрямитель, когда тумблер SA6 установлен в верхнее 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 (U_mmin из таблицы 1 , а U_m2min и U_m2max из таблицы 3):

ΔU_d2 = U_mmin - U_m2min , ΔU_d2 = U_mmax - U_m2max

Сделать 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 выпрямителных 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.Скриншот вставьте в отчет в качестве приложения.

Таблица 3 - Исследование двухполупериодного выпрямителя

	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 ¯¯↑¯
Переменное среднеквадратическое значение напряжения - σ	σmin	σmax	σmin	σmax	σmin	σmax	σmin	σmax
Максимум - Um2 (положительная амплитуда)	Um2min	Um2max	Um2min	Um2max	Um2min	Um2max	Um2min	Um2max
Действующее напряжение - U (вторичная обмотка)	Umin	Umax	Umin	Umax	Umin	Umax	Umin	Umax
Расчетное падение напряжения на двух диодах - ΔUd2

3. Исследовать влияние сглаживающего фильтра на форму выпрямленного напряжения.

Подсоединить измерительный кабель осциллографа к гнёздам XS14 и XS8, чёрный к гнезду XS14 и 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 должен быть в верхнем положении (отключить дроссель), тумблер SA10 должен быть в нижнем положении (отключить конденсатор C2) и тумблер SA8 должен быть в верхнем положении (отключить стабилизатор). Тумблер SA6 поставить в верхнее положение (включить двухполупериодный выпрямитель).

Выполнить измерения для трех 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 трех 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).

Затем исследуя П-образный фильтр, кагда включены два конденсаторы С1 и С2, 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 трех 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 стремя включенными лампами ( тумблеры SA3, SA4 и SA5 поставить в верхнее положение).

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 ¯↑¯
Максимально значение сигнала - Um2
Минимально значение сигнала – Uv2
Величина пульсации U= Um2 – Uv2
Коэффициент пульсаций Кп

Повторить опыт для трех 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 ¯↑¯
Максимально значение сигнала - Um2
Минимально 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.

4. Исследовать влияние стабилизатора напряжения на форму выпрямленного напряжения и определить коэффициент стабилизации.

Подсоединить измерительный кабель осциллографа к гнёздам XS15 и XS9, чёрный к гнезду XS15 (или XS14) 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, исходя из требования минимального коэффициента пульсаций. Поставить тумблеры SA7, SA9 и SA10 в такое положение, которое соответствует минимальной пульсации.

Выполнить измерения для трех 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 стремя 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 = [(U₂max – U₂min)/(U₂max)] /[ (U_ВЫХmax – U_ВЫХmin)/(U_ВЫХmax)]

Значения U₂max и U₂min 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 какого действующее напряжение на нагрузке в этих двух выпрямителях ?

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. Какое назначение сглаживающих фильтров и какие типы фильтров известны Вам?

6. На чем основана работа LC-фильтра и что такое коэффициент сглаживания?

7. Как определяется коэффициент стабилизации стабилизатора?

8. Объясните работу параметрического стабилизатора.

9. Как влияет нагрузка на работу стабилизатора?