- •А.М. Сажнёв
- •Оглавление
- •Лабораторная работа № 1. Ознакомление с программой Electronics
- •Лабораторная работа № 2. Исследование способов включения трехфазных трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
- •Введение
- •Лабораторная работа № 1
- •Двойным щелчком по значку генератора раскрывается передняя панель (рисунок 1.11).
- •Порядок выполнения работы
- •1.6 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2
- •2.4 Описание моделей трехфазного трансформатора
- •2.5 Порядок выполнения работы
- •Результаты работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 Исследование неуправляемых выпрямителей
- •3.1 Цель работы
- •3.2 Литература
- •3.3 Пояснения к работе
- •3.4 Порядок выполнения работы
- •3.4.1 Исследование однофазного мостового неуправляемого выпрямителя
- •3.4.1.1 Результаты работы
- •3.4.1.2 Контрольные вопросы
- •3.4.2 Исследование трехфазного неуправляемого выпрямителя
- •3.4.2.1 Результаты работы
- •3.4.2.2 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №4 Исследование пассивных сглаживающих фильтров
- •Цель работы
- •Литература
- •4.3 Пояснения к работе
- •4.4 Порядок выполнения работы
- •3 Включите схему клавишей в правом верхнем углу экрана.
- •Исследование lr - фильтра в переходных режимах.
- •4.4.1.1 Результаты работы
- •4.4.1.2 Контрольные вопросы
- •4.4.2 Исследование rc сглаживающего фильтра
- •Исследование rc - фильтра в установившемся режиме
- •1 Установите ключ к1 в нижнее положение (клавишей 1);
- •2 В соответствии со своим вариантом (номером бригады) выпишите исходные данные из таблицы 4.4.
- •Исследование rc –фильтра в переходных режимах.
- •1 Изучение переходных процессов в фильтре при воздействии со стороны сети.
- •Измерение ачх и фчх.
- •4.4.2.1 Результаты работы
- •Исследование lс–фильтра в установившемся режиме. Установите ключ к1 в нижнее положение (клавишей 1);
- •1 В соответствии со своим вариантом (номером бригады) выпишите исходные данные из таблицы 4.6.
- •2 Переведите выключатель в правом верхнем углу экрана в положение 1. Запишите показания вольтметра u02 и амперметра i0.
- •Исследование lс –фильтра в переходных режимах.
- •1 Изучение переходных процессов в фильтре при воздействии со стороны сети.
- •4.4.3.1 Результаты работы
- •4.4.3.2 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 Исследование активных сглаживающих фильтров
- •5.1 Цель работы
- •Литература
- •5.3 Пояснения к работе
- •5.4 Модели активных фильтров
- •Порядок выполнения лабораторной работы в соответствии со своим вариантом (номером бригады) выпишите исходные данные из таблицы 5.1.
- •5.5.1 Исследование активного фильтра по схеме ок .
- •Результаты занесите в таблицу 5.2.
- •Ключ к2 в верхнем положении;
- •5.5.2 Исследование активного фильтра по схеме об
- •5.6. Результаты работы
- •Рассмотрим принцип действия данного стабилизатора. На рисунке 6.3
- •Порядок выполнения работы
- •. В соответствии со своим вариантом (номером бригады) выпишите исходные данные из таблицы 6.1.
- •Откройте окно (рисунок 6.7) Models стабилитрона vd и установите его тип из библиотеки 1n.Установите сопротивление нагрузки, открыв окно Value rh (рисунок 6.8).
- •6.5 Результаты работы
- •6.6 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7
- •Описание модели компенсационного стабилизатора
- •Регулирующим элементом (ФайлSksn)
- •7.5 Порядок выполнения работы
- •1 В соответствии со своим вариантом (номером бригады) выпишите исходные данные из таблицы 7.1.
- •Выход через кнопки «ok».
- •7.6 Результаты работы
- •7.7 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 8
- •8.4 Порядок выполнения работы
- •8.4.1 Исследование регулятора напряжения понижающего типа
- •8.4.1.1 Результаты работы
- •8.4.1.2 Контрольные вопросы
- •8.4.2 Исследование регулятора напряжения повышающего типа
- •8.4.2.1 Результаты работы
- •8.4.2.2 Контрольные вопросы
- •8.4.3 Исследование регулятора напряжения инвертирующего типа
- •8.4.3.1 Результаты работы
- •8.4.3.2 Контрольные вопросы
- •Александр Михайлович Сажнёв
- •Электропитание устройств и систем связи Учебное пособие
- •630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86
Лабораторная работа № 8
Исследование импульсного регулятора напряжения
8.1 Цель работы
Исследование физических процессов в схемах понижающих, повышающих и инвертирующих импульсных регуляторов напряжения. Экспериментальное определение регулировочных характеристик и энергетических показателей регуляторов.
8.2 Литература
Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. –4–е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416 с., ил.
Иванов–Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС. Учебник для вузов по специальности “Радиотехника”. – 3–е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 1991. – 272 с.
Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ А.А. Бокуняев, Б.М. Бушуев, А.С. Жерненко и др. Под ред. Ю.Д. Козляева. – М.: Радио и связь, 1998. – 328 с.
8.3 Пояснения к работе
Импульсные регуляторы постоянного напряжения (ИРПН, рисунок 8.1) делятся на понижающие (U2 меньше U1); повышающие (U2 больше U1 ) и инвертирующие (U2 имеет произвольную величину, но обратно U1
по знаку).
Все три типа ИРПН состоят из индуктивности (накопительного дросселя)
L, регулирующего транзистора VT, работающего в ключевом режиме, обратного диода VD, конденсатора фильтра C и схемы управления ключом VT. Длительность сигнала управления зависит от уровня напряжения поступающего на вход схемы управления с делителя напряжения RD1, RD2 от источника постоянного напряжения (Uупр). Отличия перечисленных схем регуляторов состоят в расположении регулирующего транзистора в силовой цепи и алгоритме работы, заложенном в схему управления. Наиболее широко известен ИРПН понижающего типа, в котором индуктивность L одновременно является элементом сглаживающего LC–фильтра.
Схема понижающего импульсного регулятора приведена на рисунке 8.1, а. В этой схеме используется накопительная индуктивность (дроссель) L, включенная последовательно с нагрузкой RH. Для сглаживания пульсаций параллельно нагрузке включен конденсатор фильтра С. Транзистор VT включен между источником питания U1 и накопительной индуктивностью L. Схема управления включает или выключает транзистор в зависимости от значения напряжения Uупр. При размыкании транзистора VT ток индуктивности L протекает через диод VD, который обеспечивает непрерывность тока в индуктивности L и исключает появление опасных выбросов напряжения на транзисторе VT в момент коммутации.
Рисунок 8.1 – Схемы импульсных регуляторов напряжения
а) понижающего; б) повышающего; в) инвертирующего типов
В зависимости от значения параметров схемы возможны два режима работы: непрерывного и прерывистого тока индуктивности.
Рассмотрим режим непрерывного тока индуктивности L (рисунок 8.2, а). Для
обеспечения режима непрерывного тока индуктивность должна выбираться из условия:
. (8.1)
Здесь T – период коммутации ключа; - коэффициент заполнения.
При включении транзистора VT в индуктивности L начинает возрастать ток, достигая своего максимального значения к моменту выключения транзистора VT. Накопление энергии в индуктивности L и конденсаторе фильтра С приводит к небольшому увеличению напряжения на нагрузке.
Рисунок 8.2 – Временные зависимости тока и напряжения в дросселе в режиме непрерывного (а) и прерывистого тока (б)
По сигналу, поступившему от схемы управления, транзистор VT запирается, а диод VD отпирается. Энергия, накопленная в индуктивности L и конденсаторе С, начинает передаваться в нагрузку и ток iL начинает уменьшаться по линейному закону. Этот спад продолжается вплоть до нового отпирания транзистора VT.
Напряжение на индуктивности в период накопления энергии равно (U1-U2). В момент коммутации ключа VT напряжение на индуктивности скачком принимает значение – U2. Полный перепад напряжения на индуктивности, таким образом, равен U1. Напряжение на нагрузке пропорционально коэффициенту заполнения
. (8.2)
При уменьшении величины индуктивности относительно значения, определенного по условию (8.1), происходит переход в режим прерывистого тока. Форма тока в этом режиме приведена на рисунке 8.2, б. Когда ток в индуктивности спадает до нулевого значения, диод VD запирается, а сигнал отпирания транзистора VT еще не поступил, поэтому напряжение и ток в индуктивности некоторое время равны нулю. В таком режиме ухудшается использование ключевого транзистора, возрастает требуемая емкость конденсатора фильтра, увеличиваются пульсации тока в индуктивности и в нагрузке.
В ИРПН повышающего и инвертирующего типов индуктивность L не участвует в сглаживании пульсации выходного напряжения. Сглаживание обеспечивает конденсатор С, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.
Схема повышающего импульсного регулятора приведена на рисунке 8.1, б. В этой схеме индуктивность включена последовательно с источником питания U1, а диод VD последовательно с нагрузкой. При включении транзистора VT индуктивность L подключается непосредственно к источнику питания U1. Ток iL начинает линейно нарастать, пока из схемы управления не поступит сигнал на запирание транзистора VT.
После запирания транзистора VT энергия, накопленная в индуктивности L, через открытый диод VD поступает в нагрузку, подзаряжая конденсатор фильтра С. В этом режиме напряжение на L складывается с напряжением источника питания, в результате чего конденсатор фильтра С заряжается до напряжения U2>U1. Формы тока и напряжения на индуктивности L приведены на рисунке 8.3, а.
Рисунок 8.3 – Временные зависимости тока и напряжения на индуктивности для повышающего (а) и инвертирующего (б) регуляторов напряжения
Схема инвертирующего импульсного регулятора приведена на рисунке 8.1, в. В этой схеме последовательно с источником питания U1 включен транзистор VT, а диод VD включен последовательно с нагрузкой RH.
При включенном транзисторе VT индуктивность L подключается непосредственно к источнику питания U1 и ток в ней начинает линейно нарастать (рис. 8.3,б). Рост тока происходит до тех пор, пока не поступит сигнал из схемы управления на запирание транзистора VT. При этом, индуктивность L подключится параллельно нагрузке и конденсатору фильтра С. Поскольку ток iL после коммутации транзистора VT не меняет своего направления, то полярность напряжения на нагрузке будет противоположна полярности источника питания, т. е. происходит инверсия полярности.
Регулировочные характеристики импульсных регуляторов показывают зависимость относительного выходного напряжения регулятора от коэффициента заполнения импульсов U2/U1=f(). Для понижающего регулятора напряжения регулировочная характеристика в соответствии с формулой (8.2) имеет вид:
(8.3)
где – отношение сопротивления дросселя rL к сопротивлению нагрузки RН. Она имеет линейный характер, а её наклон зависит от отношения активных сопротивлений дросселя и нагрузки (рисунок 8.4, а). Напряжение на нагрузке в таком регуляторе не может быть больше напряжения источника, а линейность регулировочной характеристики обеспечивает устойчивую работу стабилизатора на основе такого регулятора.
Регулировочная характеристика повышающего регулятора приведена на рисунке 8.4, б и определяется уравнением
. (8.4)
Рисунок 8.4 – Регулировочные характеристики импульсных регуляторов напряжения: понижающего (а), повышающего (б), инвертирующего (в) типа
В идеальном случае при = 0 регулировочная характеристика определяется формулой U2/U1 = (1–)-1, и при 1 U2 устремляется в бесконечность. При наличии потерь в дросселе (а также в диоде и транзисторе) на регулировочной характеристике будет экстремум, значение которого зависит от величины , как показано на рисунке 8.4, б .
Регулировочная характеристика инвертирующего регулятора без учета потерь в элементах схемы (т. е. при rL=0) определяется выражением
(8.5)
Очевидно, что такой регулятор может работать как с повышением, так и с понижением выходного напряжения (рисунок 8.4, в).
Оптимальным алгоритмом управления ключом VT для ИРПН любого типа является применение широтно – импульсной модуляции (ШИМ), поскольку:
обеспечивается высокий КПД;
частота пульсации на нагрузке является неизменной;
реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИРПН, что исключает опасность возникновения пульсаций с частотами биений при питании нескольких ИРПН от общего первичного источника постоянного тока.
Схема управления каждого отдельного ИРПН включают в себя делитель напряжения, источник эталонного напряжения, сравнивающий элемент, усилитель рассогласования, задающий генератор и пороговое устройство, осуществляющее формирование модулированных по длительности импульсов (широтно – импульсный модулятор – ШИМ). Современные схемы управления выпускаются в виде микроконтроллеров (МК). МК могут быть и со встроенными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) на входе. Тогда единственным элементом в схеме управления помимо МК будет делитель напряжения, что приводит к снижению стоимости устройств. Достоинством МК является и возможность в ходе работы изменять алгоритм управления.
Например, можно легко изменить частоту ШИМ в зависимости от чувствительности нагрузки к пульсациям выходного напряжения. Более подробно о схемах управления можно узнать в рекомендуемой литературе.