EUiST_lab_4_2017g_2_Issledovanie_impulsnykh_istochnikov_pitania
.pdf
Регулирующий элемент VT8, работающий в режиме переключения, преобразует входное напряжение постоянного тока U0 в последовательность однополярных прямоугольных импульсов, подаваемых на вход LCD фильтра (рис. 8 б), который в свою очередь выделяет интегральную (среднее значение) составляющую этой последовательности прямоугольных импульсов. Так, например увеличение напряжения на входе стабилизатора приводит к уменьшению длительности открытого состояния регулирующего элемента, т.е. к уменьшению длительности tИ прямоугольных импульсов на входе фильтра при практически неизменной длительности паузы tП , что и обеспечивает стабилизацию среднего значения выходного напряжения.
К достоинствам импульсных стабилизаторов и в частности исследуемого релейного стабилизатора по сравнению линейными транзисторными стабилизаторами следует отнести существенно меньшие потери в регулирующем элементе при той же выходной мощности стабилизатора, а, следовательно, более высокий КПД и существенно меньшие габариты радиатора охлаждения (в случае его применения) регулирующего элемента. В низковольтных стабилизаторах (при выходных напряжениях в единицы вольт и менее) с целью повышения КПД вместо диода в LCD фильтре используются полевые транзисторы, т.е. от традиционных преобразователей переходят к так называемым синхронным преобразователям. Габариты и масса дросселя и конденсатора выходного фильтра стабилизатора будут тем меньше, чем при прочих неизменных параметрах будет выше частота коммутации регулирующего элемента. В настоящее время в импульсных стабилизаторах частота переключения регулирующего элемента может быть равной нескольким сотням кГц.
Схема электрическая принципиальная исследуемого релейного стабилизатора, также регулируемого выпрямителя, обеспечивающего питание этого стабилизатора, представлена на рис. 9.
Рис.9. Схема электрическая принципиальная исследуемого стабилизатора.
Выпрямитель выполненный по традиционной схеме содержит: силовой трансформатор Т1, двухполупериодную схему выпрямления на диодах VD1 и VD2 и Г-образный фильтр нижних частот (L1, C1). Регулирование величины выходного напряжения U0 этого выпрямителя осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора АТ, подключение которого к сети переменного тока производится с помощью тумблера Q1. Определение значения выходного напряжения и тока, потребляемого стабилизатором от регулируемого выпрямителя, осуществляется с помощью вольтметра U0 и амперметра I0.
Силовая часть самого стабилизатора представлена мощным биполярным транзистором VT8 типа n-p-n (регулирующий элемент) и выходным фильтром нижних частот – (дроссель L2, конденсатор C4 и диод VD7). Подключение и отключение нагрузки производится тумблером Q2. Регулирование значения тока нагрузки осуществляется переменным сопротивлением RH. Для определения формы кривых тока элементов силовой части и значения и формы напряжений в различных точках схемы стабилизатора введены токовые шунты RШ и контрольные гнезда Г1-Г8.
УПТ выполнено по дифференциальной схеме на транзисторах VT1, VT2. Пороговое устройство Т выполнено по схеме триггера Шмитта на транзисторах VT3, VT4. Для стабилизации напряжения питания УПТ, Т, эталонного источника и части элементов драйвера в схему введен параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне VD3 и резисторе R1. Эталонный источник выполнен на стабилитроне VD4 и резисторах R2…R4. Напряжение эталонного источника (напряжение на резисторе R3) подается на неинвертирующий вход УПТ. На инвертирующий вход УПТ подается напряжение с резистора R18. Выходное напряжение УПТ, являющееся входным напряжением для триггера Шмитта, снимается с коллектора транзистора VT2 (напряжение между точкой Г2 и коллектором VT2). Уменьшение напряжения на резисторе R18 (при неизменном напряжении на резисторе R5) приводит к уменьшению коллекторного тока транзистора VT2 и, следовательно, к увеличению напряжения на входе триггера. При достижении напряжения на входе триггера значения порога срабатывания транзистор VT3 переходит в состояние насыщение, а транзистор VT4 в состояние отсечки. В свою очередь напряжение на резисторе R18 является функцией выходного напряжения стабилизатора. Действительно изменение напряжения на выходе стабилизатора приводит к изменению напряжения на нижнем плече (на резисторе R22) выходного сравнивающего делителя R20… R22, входящего в состав схемы сравнения. Поскольку параллельно резистору R22 подключен вход эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе VT9 и резисторах R18, R19, то изменение напряжения на R22 вызывает соответствующее изменение коллекторного тока VT9 и, следовательно, изменение напряжения на резисторе R18.
Уменьшение выходного напряжения стабилизатора ниже определенного уровня или полное его отсутствие, что имеет место при пуске стабилизатора, приводящее к переводу транзистора триггера VT4 в состояние отсечки, вызывает перевод транзисторов драйвера VT5 и VT6 также в режим отсечки. В результате создается цепь базового тока для транзистора VT7 (+U0→RШ→переход эб VT7→диоды VD5, VD6→резисторы R15, R16→- U0→+U0) и перевод его в состояние насыщения, что в свою очередь приводит к переводу силового транзистора VT8 в режим насыщения. Далее начинается процесс увеличения тока дросселя L2 и, как было показано ранее, увеличение выходного напряжения. Увеличение выходного напряжения стабилизатора вызывает уменьшение напряжения на входе триггера и при достижении порога отпускания транзистор VT3 триггера переходит в состояние отсечки, а транзистор VT3 в состояние насыщения. В результате транзистор VT5 также переходит в состояние насыщения, что приводит к открытию транзистора VT6. Открытие транзистора VT6 создает цепь разряда конденсатора С3, что приводит, в конечном счете к запиранию транзистора VT7 и силового транзистора VT8. Далее процессы в стабилизаторе повторяются. Диоды VD5, VD6 включенные параллельно конденсатору С3 необходимы прежде всего для стабилизации напряжения на этом конденсаторе, которое должно быть меньше предельно допустимого значения для перехода база-эмиттер транзистора VT7.
5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ И ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА
1.Необходимо предварительно ознакомиться со стендом и принципиальной электрической схемой стабилизатора.
2.Снятие внешней характеристики стабилизатора UH=f(IH).
Тумблером Q1 подать напряжение сети переменного тока на стенд. С помощью лабораторного автотрансформатора АТ по вольтметру U0 установить напряжение на входе стабилизатора равное 27 В, поддерживая в процессе снятия внешней характеристики это значение неизменным. Включить цифровой вольтметр и осциллограф. Для определения по цифровому вольтметру среднего значения выходного напряжения стабилизатора Uн подключить его к гнездам Г7, Г8. Если ток нагрузки, определяемый с помощью амперметра Iн равен нулю, то тумблером Q2 подключить к выходу стабилизатора нагрузку и, изменяя положение переменного сопротивления RH, определить максимально возможное значение тока нагрузки IН МАКС. С помощью осциллографа определить минимальное значение тока нагрузки IН МИН, начиная с которого стабилизатор работает в режиме безразрвыных токов дросселя L2. При работе в режиме безразрывных токов дросселя напряжение на транзисторе uКЭ=f(t) имеет форму прямоугольных импульсов с высотой, равной практически напряжению питания стабилизатора. В случае перехода в режим разрывных токов дросселя в кривой uКЭ=f(t) появится дополнительно временной интервал, на котором напряжение на транзисторе оказывается близким к Uн. В диапазоне изменения тока нагрузки от IН МИН до IН МАКС произвести запись показаний приборов в табл.1 для четырех, пяти значений тока нагрузки, заполняя первые четыре столбца экспериментальных данных в этой таблице.
Таблица 1
U0 = 27 В - const
Экспериментальные данные |
Результаты расчета |
|||||
Iн, |
Uн, |
I0, |
ΔUH~, |
Pн, |
P0, |
η, |
А |
В |
А |
В |
Вт |
Вт |
- |
IН МИН |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
IН |
|
|
|
|
|
|
МАКС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.2. Для определения размаха пульсации ΔUH~ выходного напряжения стабилизатора следует вновь подключить сигнальный конец шланга осциллографа к выходу генератора осциллографа и установить на экране осциллографа размах напряжения генератора (размах равен 0.25 В), на уровне четырех пяти клеток по высоте. Подключить к гнездам Г7, Г8 вместо цифрового вольтметра осциллограф. Для тех же значений тока нагрузки определить и занести в таблицу значения ΔUH~.
Расчетное значение выходной мощности Pн, мощности потребляемой стабилизатором P0 и КПД стабилизатора η определяются соответственно следующим образом:
-Pн=UнIн;
-P0=U0I0;
-η=Pн/P0.
По результатам измерений определить внутреннее сопротивление стабилизатора ri, Ом
где Uн1 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки IН МИН, В; Uн2 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки
, В;
Iн= IН МАКС – IН МИН, А.
3.Снятие нагрузочной характеристики UH=f(U0).
3.1.Подключить к выходу стабилизатора цифровой вольтметр (гнезда Г7, Г8). С помощью
лабораторного автотрансформатора АТ установить минимальное входное напряжение U0 на уровне 18 В при токе нагрузке равном 0.2 А. Убедившись, что длительность периода колебаний собственного генератора осциллографа по прежнему соответствует 8-ми клеткам по горизонтали, подключить осциллограф к гнездам Г4, Г5.
3.2.В диапазоне изменения входного напряжения стабилизатора от U0МИН =18 В до U0
МАКС =30 В произвести запись |
показаний приборов в табл.2 |
для пяти значений |
||||||||
напряжения U0, заполняя первые четыре столбца экспериментальных данных в этой |
||||||||||
таблице. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
Iн = 0,2 А - const |
|
|
|
|
||
|
Экспериментальные данные |
|
Результаты расчета |
|
||||||
|
U0, |
Uн, |
|
I0, |
ΔUH~, |
|
Pн, |
P0, |
η |
|
|
В |
В |
|
А |
В |
|
Вт |
Вт |
- |
|
|
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.3. По методике, изложенной в пункте 2.2 определить и записать в таблицу значения размаха пульсации ΔUH~ для тех же 5-ти значений входного напряжения U0. Рассчитать и записать в табл.2 значения Pн, P0 и η.
Рассчитать значение коэффициента стабилизации КСТ, как отношение относительного изменения входного напряжения к относительному изменению выходного напряжения, т.е.
где U0 = U0max – Uнmin =12 В; Uн = Uнmax – Uнmin, В;
U0=27 В. Uн – номинальное значение выходного напряжения, соответствующее напряжению U0=27 В.
4. С помощью осциллографа определить и представить в отчете:
-форму кривой напряжения на переходе коллектор-эмиттер VT8 для режима разрывных и безразрывных тока дросселя L2 и форму тока коллектора транзистора VT8 (для режима безразрывных тока дросселя);
- форму тока диода VD7 и форму кривой напряжения на диоде VD7 (для режима разрывных и безразрывных тока дросселя L2);
- форму тока дросселя L2 и форму напряжения на его обмотке (для режима разрывных и безразрывных токов дросселя).
5. По данным табл. 1 строят зависимости η = f(Iн) и Uн =f(Iн); по данным табл. 2 строят зависимости η = f(U0) и Uн =f(U0).
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.По схеме рис.9 объясните назначение: - трансформатора Т1;
- резисторов R1, R2, R3, R4, R20; - узла VD5, VD6, C3;
- диода VD7.
2.В чем смысл выполнения УПТ по схеме дифференциального усилителя.
3.Покажите цепи базовых токов транзисторов VT7, VT8, VT9.
4.Объясните формы кривых тока эмиттера VT8, диода VD7 и дросселя L2.
5.Назовите основные причины изменения выходного напряжения стабилизатора.
6.Перечислите достоинства и недостатки импульсного стабилизатора напряжения по сравнению с линейным.
7.Объясните принцип действия триггера Шмитта.
8.В схеме рис.2 есть три вольтметра и два амперметра. Укажите системы приборов и поясните, на какие величины реагируют эти измерительные приборы.
Список литературы.
а) Базовый учебник:
1.Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов. В.М Бушуев, В.А. Деминский и др. М; Горячая линия-Телеком, 2011/ЭБС МТУСИ
а) Основная литература:
2.Шпилевой А.А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций [Электронный ресурс]: учебное пособие/Шпилевой А.А. – Электрон. Текстовые данные. – Калининград: Балтийский федеральный университет ис. Им. Канта,
2010. – 131 с. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/23959.html - ЭБС «IPRbooks»
3.Электропитание устройств связи: Учебное пособие для вузов. Л.Ф. Захаров, М.Ф. Колканов М.: «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте» 2009 г.
б) Дополнительная литература:
4.Сажнев А.М. Источники бесперебойного электропитания переменного тока [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Сажнев А.М., Рогулина Л.Г. – Электрон. текстовые данные. – Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015.-312 с. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/55478
5.Козляев Ю.Д.Сборник задач и упражнений по курсу «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» [Электронный ресурс]: учебнометодическое пособие/ Козляев Ю.Д. - Электрон. текстовые данные. –
Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015.-82 с. Режим доступа:http://www.iprbookshop.ru/45487. html
6.Сажнев А.М. Промышленные электропитающие устройства связи [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Сажнев А.М., Рогулина Л.Г.,
Абрамов С.С. – Электрон. текстовые данные. – Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2009.-
192 с. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/54796. html