Лабораторная работа исследование преобразователей напряжения

laboratornaya_rabota_17

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра «экологии, безопасности жизнедеятельности и электропитания»

«Исследование регулируемого преобразователя напряжения постоянного тока»

Цель работы: Изучить принципы построения и работы импульсных преобразователей напряжения постоянного тока (ППН) с независимым возбуждением.

Схема лабораторного стенда

На рисунке 1 представлена схема лабораторного стенда.

Рисунок 1 – Внешний вид сменного блока «преобразователь постоянного напряжения»

— регулируемый источник напряжения постоянного тока (источник питания), выходное напряжение которого может меняться в пределах от 7 до 16 В;

— регулируемый двухтактный преобразователь, силовая часть которого содержит два полевых транзистора (VT1, VT2), силовой трансформатор и два выходных двухполупериодных выпрямителя с LC фильтрами нижних частот на выходе каждого из них;

— схема управления, состоящая из:

* генератора пилообразного напряжения;

* широтно- импульсного модулятора (компаратора на рис. 4), на один вход которого подаётся пилообразное напряжение, а на второй вход напряжение постоянного тока;

* формирователя управляющих импульсов, обеспечивающего подачу импульсов напряжения на затворы полевых транзисторов VT1 (Частота следования управляющих импульсов 25…35 кГц).

— схему защиты преобразователя от перегрузки (со звуковой и световой сигнализацией).

Таблица 1 – Зависимость U_ВЫХ от U_ИП (c обратной связью)

Источник

Лабораторная работа №4 исследование преобразователей постоянного напряжения

Цель лабораторной работы заключается в том, чтобы ознако­мить студентов с устройством и принципом работы статических прео­бразователей постоянного напряжения; определить основные парамет­ры преобразователей напряжения и их зависимость от питающего напряжения и нагрузки, просмотреть осциллограммы в различных точках схемы и дать им физическое объ­яснение.

2.1 Изучить принцип действия и параметры полупроводниковых преобразователей напряжения.

2.2 Исследовать зависимость параметров однотактного преобразователя напряжения с обратным включением выпрямительного диода от напряжения сети и величины нагрузки.

2.3 Зарисовать осциллограммы напряжения в различных точках, ис­следуемых схем.

3. Основные теоретические сведения и соотношения.

3.1 Преобразователи постоянного напряжения

Статическими преобразователями постоянного напряжения называются устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное (инверторы) или постоянное напряжение одного номинала в постоянное напряжения других номиналов (конверторы).

Статические преобразователи выполняются на транзисторах или ти­ристорах и отличаются от механических преобразователей (электрические машины, вибропреобразователи, умформеры) бесшумны, имеют незначи­тельный вес и габариты, большой КПД и высокую надёжность в работе.

Транзисторные преобразователи постоянного напряжения выполняются по одно- и двухтактной схемам, с самовозбуждением (автогенераторы) и независимым возбуждением (усилители мощности).

Источники электропитания, в которых применяются статические преобразователи, в технической литературе называют импульсными блоками питания. Последние нашли широкое применение в радио и телевизионных приёмниках, в персональных ЭВМ, АТС.

К основным параметрам преобразователя относят:

— коэффициент полезного действия (КПД) ;

— рабочую частоту кГц;

— габариты и вес преобразователя.

КПД преобразователя определяется потерями мощности в цепях полупроводниковых приборов, магнитопроводе, выпрямителе и сглаживающем фильтре.

Ориентировочно эти потери составляют:

— в выпрямителе и сглаживающем фильтре 10-12%;

Потери мощности в транзисторе складываются из потерь в коллекторных цепях в режимах насыщения, отсечки и коммутации, а также в базовых цепях.

Для уменьшения потерь мощности в режиме коммутации резистор в цепи базы транзистора в ключевом режиме R_б шунтируется конденсатором.

При конструировании преобразователей необходимо помнить, что с ро­стом частоты уменьшаются габариты трансформатора, но увеличиваются потери мощности, а также влияние помех на работу других радиотехнических систем.

3.2 Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением выпрямительного диода

Схемотехнически наиболее прост однотактный преобразователь с обратным включением выпрямительного диода (рис. 1, а). Он представляет собой фактически импульсный стабилизатор с последовательным транзистором и па­раллельным дросселем, причем дроссель выполнен двухобмоточным, что обеспе­чивает гальваническую развязку нагруз­ки от первичной сети.

Положительные импульсы напряже­ния возбуждения длительностью отпи­рают, а отрицательные длительностью запирают силовой транзистор VТ. Открытый транзистор оказывается в ре­жиме насыщения и пропускает через себя как обратный ток диода, пересчи­танный в первичную обмотку, так и ток заряда дросселя, проходящий от источни­ка Еп через первичную обмотку дросселя (рис.1, б, в). Длительность импульса коллекторного тока больше на время рассасывания заряда неосновных носи­телей в базе.

Рисунок 1 – Однотактный преобразователь с обратным включением диода

При запирании транзистора отрица­тельным импульсом напряжения напря­жение, индуцируемое магнитным потоком на обмотках дросселя, меняет знак и начинает быстро нарастать по абсолют­ному значению. Когда напряжение на обмотке достигнет значения отпирается выпрямительный диод VD и накопительный конденсатор C заряжаясь, замедляет дальнейший рост индуцируемого напряжения. Таким образом, напряжение на обмотке дросселя во время его разрядки через диод VD оказывается равным —

Если индуктивность дросселя L больше критической, то выходное напря­жение преобразователя можно определить из условия равенства нулю сред­него напряжения на дросселе:

Обозначив и преобразовав последнее выражение, найдем

Зависимость выходного напряжения от длительности импульса позво­ляет регулировать его значение и, следовательно, построить на основе однотактного преобразователя стабилизирующий источник. Как и в стаби­лизаторе напряжения с параллельным дросселем, максимальное значение напряжения реально не равно бесконечности при (потому что огра­ничивается сопротивление потерь в преобразователе). Возрастания выход­ного напряжения на холостом ходу стремятся избежать, для чего используют добавочную неотключаемую нагрузку.

Напряжение на закрытом транзисторе складывается из напряжения источника Е_п и индуцируемого магнитным потоком напряжения на обмотке дросселя (рис. 1, д):

При индуктивности дросселя, много большей критического значения, ток коллектора транзистора по форме близок к прямоугольной:

где — средний ток, потребляемый от источника Е_п.

Произведение в таком преобразователе обратно пропорционально и, следовательно, имеет минимум при = 0,5. Этому минимуму соот­ветствует наименьшая установочная мощность транзистора однотактного преобразователя напряжения с обратным включением диода.

Если выбрать индуктивность дросселя меньше критической, то ток дросселя приобретает треугольную форму (пунктирные линии на рис.1, в, г) и в рассматриваемом преобразователе для отпирания силового транзистора возникнут благоприятные условия. Транзистор будет включать­ся при нулевом токе и запертом выпрямительном диоде. Поэтому коммута­ционные выбросы тока коллектора в таком режиме не возникают.

Длительность разрядки дросселя на выпрямительное звено с нагрузкой постоянному току R₀ :

Для реализации режима с треугольной формой тока дросселя необхо­димо, чтобы длительность пассивной части периода была больше . В этом случае в нагрузку полностью передается энергия, накопленная в дросселе:

При необходимости стабилизации энергии (мощности) в нагрузке однотактный обратный преобразователь регулируется в соответствии с приве­денной зависимостью.

Выходное напряжение преобразователя в режиме разрывных токов дросселя обратно пропорционально корню квадратному из сопротивления нагрузки:

По этому же соотношению выбирают сопротивление неотключаемой нагрузки при заданном максимуме выходного напряжения.

Источник

Лабораторная работа №15 исследование преобразователя постоянного напряжения

Изучение схемы и принципа действия стабилизированного преобразователя постоянного напряжения (СППН) и экспериментальное определения его параметров.

Китаев В.Е. и др. Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975, — С. 218-219, 196-199.

Доморацкий О.А., Жерненко А.С. и др. Электропитание устройств связи. — М.: Связь 1981. С. 203-213.

Александров Ф.И. Импульсные полупроводниковые преобразователи и стабилизаторы. — 1970, С. 27-30.

Источники электропитания РЭА / Под. Ред. Г.С. Найвельта, 1986.

Электропитание устройств связи. Учебник для высших учебных заведений. / Под. Ред. В.Е. Китаева. — М.: Радио и связь, 1988. С. 196-213.

Изучить теоретический материал по литературе / 2.1./. /2.5./ и приложение к данной лабораторной работе:

краткие сведения. Особенности структурного и функционального построения преобразователей постоянного напряжения (см. Приложение П15.1);

некоторые особенности и ограничения, накладываемые на схемотехническую реализацию отдельных функциональных узлов преобразователя (см. Приложение П15.2.);

процессы функционирования в транзисторном преобразователе с самовозбуждением (см. Приложение П15.3.);

особенности лабораторной установки (см. Приложение П15.4.)

процессы функционирования исследуемого транзисторного преобразователя электрической энергии (см. Приложение П15.2);

Ознакомиться с методическими указаниями к данной лабораторной работе.

подготовить бланк отчёта, где привести информацию, необходимую (по мнению студента) в дальнейшем для выполнения лабораторной работы.

Необходимо уяснить назначение каждого элемента преобразователя, цель каждого опыта, ожидаемые результаты.

Ответить на контрольные вопросы.

Подготовить осциллограф к работе в режиме непрерывной развёртки с закрытым входом с синхронизацией от сети в диапазоне 1 — 5 кГц.

В чём отличие импульсных стабилизаторов от стабилизированных преобразователей постоянного тока?

объясните принцип действия стабилизированного преобразователя постоянного напряжения (рис. 15.1.).

Каковы принцип действия и назначение элементов накопительного сглаживающего фильтра СППН? Как выглядят осциллограммы напряжений и токов элементов накопительного сглаживающего фильтра СППН?

Как оценивается коэффициент заполнения на входе накопительного фильтра СППН?

Как определяется коэффициент сглаживания накопительного фильтра?

Какой вид имеют внешние характеристики нестабилизированного и стабилизированного преобразователей и в чем причины их различия?

В чем преимущества и недостатки импульсных стабилизированных преобразователей по сравнению со стабилизаторами непрерывного действия?

5. Содержание работы

Изучить теоретический материал по рекомендованной литературе, Назначение, особенности структурного, функционального, схематического построения преобразователей электрической энергии, а так же и процессы их функционирования.

Исследовать внешние характеристики преобразователей постоянного напряжения

приU₁ = const

Определить КПД, выходное сопротивление и нестабильность выходного напряжения СППН при изменении тока нагрузки.

Исследовать СППН при изменении напряжении источника переменного электропитания:

зависимости выходного напряжения СППН от изменения входного напряжения U₂=f(U₁)

Определить коэффициент стабилизации.

Исследовать процессы функционирования преобразователя постоянного напряжения.

Отчёт о проделанной работе должен содержать ;

Принципиальную, электрическую, функциональную, структур- ную схемы преобразователя в целом или его функциональных узлов и схему его подключения к первичному источнику питания (объём представления указанного материала ограничивается и конкретизируется преподавателем).

Технические данные использованных в работе измерительных приборов.

Таблицы с результатами измерений и расчетов.

Графики внешних характеристик нестабилизированного и стабилизированного преобразователей постоянного напряжения

Значения выходного сопротивления и значения нестабильности выходного напряжения СППН при изменении тока нагрузки от минимального до максимального значения. График зависимости коэффициента полезного действия СППН от выходной мощности =f(P₂).

График зависимости выходного напряжения СРРН от изменения входного напряжения и зависимости нестабильности напряжения на выходе: U₂=f(U₁),N₂=f(N₁).

Осциллограммы тока через дроссель фильтра i_L =f(t) и напряжения на входе фильтра СППН приU₁= 0.85U_1номиU₁=1,1U_{1 нои}в одинаковом (для токов и соответственно для напряжений) масштабе. Значение коэффициента заполнения «К_э«, коэффициента сглаживания «q» накопительного фильтра и коэффициента пульсаций Кп₂на выходе СППН для номинального режима его работы.

Методические указания к выполнению лабораторной работы.

Принципиальная схема исследуемого СППН изображена на рис. 15.1. Описание принципа действия СППН и работа схемы рис. 15.1 приведены в приложении. СППН имеет следующие данные:

номинальное входное напряжение — 27В;

номинальное выходное стабилизированное напряжение — 3В;

номинальный выходной ток — 1А.

Для производства испытаний и измерений в схеме рис. 15.1 установлен автотрансформатор типа ЛАТР-2 для регулирования переменного напряжения на входе мостовой схемы выпрямителя, питающего вход СППН.

Постоянное напряжение и ток на входе стабилизатора измеряются вольтметром PU1 и амперметромPA1. Сопротивление нагрузки изменяется с помощью поворота рукоятки реостатаRн. Выходное напряжение и ток измеряются вольтметромPU2 и амперметромPA2. Гнёзда Х1 — Х6 позволяют наблюдать осциллограммы токов и напряжений в соответствующих точках схемы.

7.1. Программа и порядок изучения теоретических вопросов.

К пункту 5.1. Изучить назначение, особенности структурного, функционального, схемотехнического построения преобразователей электрической энергии и процессы их функционирования.

Изучить особенности схемотехнического исполнения лабораторной установки (см. Приложение 15.1)

Получить у преподавателя контрольные вопросы по изученному материалу и подготовить ответы на них.

Уточнить у преподавателя форму и объём их представления в отчёте.

ПРИМЕЧАНИЕ. Не допускается дальнейшее выполнение лабораторной работы без разрешения преподавателя. Обязательным условием к допуску для выполнения работы является уяснение особенностей схемотехнического исполнения лабораторной установки. (см. Приложение 15.1)

7.2. Исследование внешних характеристик преобразователя напря­жения.

К пункту 5.2.Для снятия внешней характеристики нестабилизированного преобразователя отключается цепь обратной связи, т.е. размыкается ключSAI(ключSAIустанавливается в положение «2(НСт)»). Подключается макет к сети, установив переключательSAcв положение «1».С помощью регулируемого ав­тотрансформатора ТV1 устанавливается входное напряжениеU₁=20В, которое контролируется с помощью вольтметра РUI, при минимальном токе на выходе преобразователя I₂=0,5А, который контролируется с помощью амперметра РА2. Ток на вы­ходе преобразователя изменяется от 0,5до 1А плавным изме­нением величины Rн. Выходное напряжение преобразователяU₂контролируется с помощью вольтметраPU2. Результаты измерений(5 — 6 точек) заносятся в таблицу 15.1,на основании которой и строится внешняя характеристика.

U₁= 20B(напряжение питания) Таблица 15.1

Источник