ЗАДАНИЕ НА ПОДГОТОВКУ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с основными типами и конструкцией вторичных источников питания трансформаторного типа.

2. Приобрести практические навыки измерения и анализа характеристик и основных параметров вторичных источников питания трансформаторного типа.

 

ЗАДАНИЕ НА ПОДГОТОВКУ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Повторить (по конспектам лекций, рекомендованной литературе) теоретический материал, соответствующий тематике лабораторной работы. Изучить материал раздела «Краткие теоретические сведения» настоящей работы.

Допуск к лабораторной работе проводится в виде письменной работы с ответами на контрольные вопросы (или в виде теста на ПЭВМ).

Изучить по данному руководству порядок выполнения работы и подготовить структуру отчета с указанием наименования работы, целей работы, пунктов экспериментальных исследований. В каждом пункте исследований привести схемы измерений, таблицы, координатные оси для построения графиков (масштабы выбирают­ся исполнителем), Оставить место для расчетов и выводов (некоторые из общих выводов можно написать в ходе подготовки к заня­тию).

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Источник вторичного электропитания (источник питания) – устройство, обеспечивающее электропитанием самостоятельные приборы и отдельные устройства радиотехнических систем.

Источники вторичного питания строятся по двум типовым структурным схемам: традиционной (трансформаторной) и с бестрансформаторным входом.

Основные элементы источников питания – выпрямители, фильтры (пассивные или активные) и стабилизаторы напряжения или тока.

Выпрямители используются для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основными элементами выпрямителя являются вентильные устройства (диоды).

На выходах всех выпрямителей включаются сглаживающие фильтры. Пассивные сглаживающие фильтры выполняются на CR или LR дискретных элементах, часто органически вписываются в структуру выпрямителя. Активные фильтры имеют в своем составе активные элементы (транзисторы).

Основные параметры выпрямителей:

§ напряжение и частота питающей сети и их допустимые отклонения от номинальных значений;

§ мощность, потребляемая от сети при номинальной нагрузке;

§ выходное напряжение и выходной ток (ток в нагрузке) и их возможные отклонения от номинальных значений;

§ коэффициент полезного действия (КПД);

§ коэффициент пульсаций.

Под КПД понимают отношение мощности питающего напряжения на выходе выпрямителя к мощности питающего напряжения на его входе.

Под коэффициентом пульсаций понимают отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения и его постоянной составляющей.

Принцип действия однофазного выпрямителя с нулевым выводом (рис.5.1). В первом полупериоде, когда напряжение положительно относительно нулевого вывода, открывается диод VD1, и через нагрузку R_н протекает ток i₁ = i _н. Поскольку падение напряжения на открытом диоде близко к нулю, то к нагрузке R_H прикладывается практически все напряжение верхней вторичной полуобмотки. Диод VD2на указанном интервале находится под обрат­ным (запирающим) напряжением и поэтому закрыт.

 

Рис.5.1

 

Во втором полупериоде положительным относительно нулевого вывода ста­новится напряжение еь, и ток проводит диод VD2. На этом интервале под обратным напряжением оказывается диод VD1. Далее про­цессы в схеме периодически повторяются, в результате чего ток I_H протекает через нагрузку R_Hв одном направлении, т. е. является выпрямленным током нагрузки.

Обратное напряжение, приложенное к любому закрытому диоду, равно сумме на­пряжений на обеих вторичных обмотках. Например, для полуволны, когда от­крыт диод VD2, к аноду диода VD1приложено отрицательное напряжение, а к его катоду - положительное напряжение, выделяемое на нагрузке. Поэтому мгновенное обратное напряжение на закрытом диоде VD1 u _обр = е_а+ и_н = е_а + еь = 2е_а, а максимальное обратное напряжение:

где Е₂ = Е_т /Ö2 действующее значение напряжения на любой из вторичных обмоток.

Используя периодический характер функции выпрямленного напряжения и_H, разложим ее в тригонометрический ряд Фурье. Период повторения импульсов в ней (не путать с периодом изменения напряжения сети 2p) равен p, поэтому среднее значение выпрямленного напряжения:

(1)

С помощью формулы (1) находим среднеквадратическое значение напря­жения вторичной обмотки при заданном напряжении на нагрузке:

.

Известно, что наибольшую амплитуду из переменных составляющих вы­прямленного напряжения u_H имеет первая гармоника U_H1, частота которой в два раза больше частоты сети ω. Общая формула для амплитуды первой гармоники пульсаций имеет вид:

где т — эквивалентное число фаз, участвующих в выпрямлении за один период 2p (для рассматриваемой схемы т = 2).

В источниках питания качество выпрямленного напряжения принято оценивать коэффициентом пульсаций, равным отношению амплитуды первой гармоники пульсаций и среднему значению выпрямленного напряжения:

.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с нулевым выводом: К_П = 67%.

Сглаживающие фильтры, включаемые между выпрямителем и активной нагрузкой, применяют для уменьшения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения

Допустимые значения коэффициента пульсаций К_П напряжения пита­ния зависит от вида нагрузки и не может превышать определенных величин. В частности, для стабилизаторов напряжения он может составлять 0,5.. 3 ·10^-2, для усили­тельных каскадов он должен быть не более 10 ^{- 4}...10 ^{- 5}, а для автогенера­торов — 10 ^--5...10 ^{- 6} и ниже.

Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его входе и выходе:

.

В случае использования на выходе выпрямителя емкостного фильтра необходимо учитывать влияние величины сопротивления нагрузки на коэффициент пульсаций. Поскольку коэффициент пульсаций уменьшается с увеличением со­противления нагрузки, то емкостной фильтр целесообразно применять в ма­ломощных выпрямителях (выпрямителях с высокоомной нагрузкой).

Фильтры на LC – элементах применяются при повышенных токах нагрузки и имеют высокий КПД, поскольку падение напряжения постоянного тока на их элементах можно сделать достаточно малым. Основной недостаток таких фильтров – большие масса и габариты, наличие магнитного поля рассеяния, сравнительно высокая стоимость.

Фильтры на RC – элементах применяются при малых токах нагрузки и имеют сравнительно невысокий КПД, поскольку падение напряжения постоянного тока на их элементах достаточно большое. Основное достоинство таких фильтров – малые габариты, масса, простота конструкции и высокая надежность. Основной недостаток таких фильтров – большие потери энергии.

Широкое применение также находят активные фильтры на транзисторах. Их основное достоинство – более высокий (по сравнению с пассивными фильтрами) КПД, и достаточно высокий коэффициент сглаживания.

Существует большое разнообразие схем активных фильтров. На рис. 5.2 представлены варианты схем активных фильтров на биполярных транзисторах.

Принцип их действия основан на том, что сопротивление перехода между эмиттером и коллектором для постоянного тока во много раз меньше сопротивления для переменной составляющей тока.

Фильтр с резистором в цепи эмиттера применяют при малых токах нагрузки, так как часть напряжения падает на этом резисторе. При увеличении сопротивления этого резистора повышается коэффициент сглаживания, однако снижается КПД фильтра. Величина R1 обычно не превышает 80.. 100 Ом, R2 – десятков кОм.

 

 

Коэффициент сглаживания фильтра без резистора R1 значительно ниже, а температурная стабильность значительно выше, чем у фильтра с резистором R1. Коэффициент сглаживания фильтра без резистора R1 можно увеличить в 1,5.. 3 раза, если вместо R_Б использовать последовательно два сопротивления R_Б1 и R_Б2, включив между ними конденсатор С2.

Для увеличения коэффициента сглаживания при повышенных токах нагрузки вместо транзистора VT1 применяют составной транзистор из двух транзисторов, а при токах нагрузки 3.. 5 А используют составной транзистор из трех транзисторов.

Стабилизаторы напряжения являются самостоятельным узлом вторичного источника питания.

Основные параметры стабилизаторов напряжения:

Коэффициент стабилизации напряжения – отношение относительных изменений входного и выходного напряжений при постоянном выходном токе

.

Выходное сопротивление стабилизатора – отношение приращения выходного напряжения к выходному току

.

Коэффициент полезного действия – отношение мощности на выходе стабилизатора к мощности на входе стабилизатора

.

Полупроводниковые параметрические стабилизаторы напряжения (ППСН) являются наиболее простыми. Их основу составляют кремниевые стабилитроны и стабисторы (рис. 5.3, а).

 

 

ППСН имеют сравнительно невысокий коэффициент стабилизации напряжения (до 100), низкий КПД, большое выходное сопротивление (без термокомпенсации 6.. 10 Ом, с термокомпенсацией 25.. 40 Ом). ППСН не позволяют получить точное выходное напряжение и регулировать его.

Для повышения напряжения стабилизации стабилитроны (одного номинала) включаются последовательно (рис.5.3, б). Для термокомпенсации последовательно с ними в прямом направлении включается выпрямительный диод (рис.5.3, в). При этом напряжение на нагрузке определяется суммой напряжения на стабилитроне (стабилитронах) и на открытом диоде. При термокомпенсации коэффициент стабилизации уменьшается в 2.. 4 раза. Коэффициент стабилизации также уменьшается при увеличении тока нагрузки.

Максимальная выходная мощность рассматриваемых ППС ограничена предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощностью стабилитрона. Для повышения выходной мощности стабилизатора ППСН дополняется эмиттерным повторителем (рис.5.8, а). Коэффициент стабилизации при этом не увеличивается.

Для повышения коэффициента стабилизации (в 5.. 10 раз) без снижения КПД вместо балластного резистора включается источник стабильного тока, состоящий из биполярного транзистора, стабилитрона и двух резисторов (рис. 5.4, б). Вместо стабилитрона могут быть использованы два диода, включенные в прямом направлении, а резистор R1 может быть исключен из схемы.

 

 

Компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН) непрерывного действия относятся к устройствам автоматического регулирования с отрицатель­ной ОС. КСН последовательного типа широ­ко используются в источниках вторичного питания.

Одной из основных задач улучшения качества КСН является повышение КПД. Основной путь повышения КПД – снижение потерь на регулирующем элементе. Разнообразие подходов решения указанной задачи определяет различие схем реализации КСН.

Широкое распространение в источниках вторичного питания получили стабилизаторы на основе микросхем серии КР142ЕН, выполненные как для получения фиксированных значений стабилизированного напряжения (однополярного или двухполярного), так и для построения стабилизаторов с плавной установкой значений стабилизированного выходного напряжения.

Структура интегральных стабилизаторов во многом схожа со структурой стабилизаторов на дискретных элементах. Вместе с тем в схему интегральных стабилизаторов введены дополнительные цепи защиты от перегрузок по току; по короткому замыканию и др.

Схемы защиты широко используются и в дискретных стабилизаторах. Их применение усложняет и удорожает схемное исполнение, вместе с тем повышает ее надежность.

Основное требование, предъявляемое к схемам защиты КСН – возврат в исходное состояние после устранения перегрузки.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Назовите два основных подхода к построению вторичных источников питания.

2. Перечислите основные узлы источников вторичного питания трансформаторного типа и укажите последовательность их включения.

3. Поясните принцип построения источников вторичного питания бестрансформаторного типа.

4. Укажите основные типы выпрямителей, классифицируемых по форме выпрямленного напряжения, изобразите схемы выпрямителей.

5. Дайте определение коэффициенту пульсаций выпрямленного напряжения.

6. Укажите достоинства и недостатки однополупериодной схемы выпрямителя.

7. Укажите достоинства и недостатки двухполупериодной схемы выпрямителя с выводом средней точки.

8. Укажите достоинства и недостатки однофазной мостовой схемы выпрямителя.

9. Запишите выражение для определения действующего (среднеквадратического) значения выпрямленного напряжения.

10. Укажите основное назначение фильтра в источнике вторичного питания. Поясните, когда предпочтительнее применение Г – образных LC фильтров, а когда предпочтительнее применение Г – образных RC фильтров.

11. Как оценивается качество фильтра?

12. Поясните принцип действия активных фильтров на биполярных транзисторах.

13. Укажите достоинства активных фильтров на биполярных транзисторах.

14. С какой целью в активных фильтрах на биполярных транзисторах используются двойные и тройные составные транзисторы?

15. Перечислите основные параметры стабилизаторов напряжения и укажите как они определяются.

16. От каких факторов зависит коэффициент полезного действия стабилизаторов?

17. Перечислите основные типы стабилизаторов напряжения.

18. Изобразите схему ППСН, укажите недостатки данных стабилизаторов.

19. С какой целью в ППСН используется прямое включение выпрямительных диодов?

20. Укажите назначение источника стабильного тока в ППСН?

21. Какой из двух стабилизатора напряжения лучше: тот у которого выходное сопротивление 2 Ом, или тот, у которого выходное сопротивление 20 Ом?

22. Что изменится, если в схеме ППС КС156А заменить на КС147А? На что в этом случае следует обратить внимание? Что необходимо сделать, чтобы замена была эквивалентной?

23. Поясните принцип действия компенсационных стабилизаторов напряжения.

24. В каких пределах лежит КПД КСН? Укажите основной путь повышения КПД.

25. С какой целью в КСН на биполярных транзисторах используются двойные и тройные составные транзисторы?

26. Для чего в КСН используются операционные усилители?

27. В чем особенности стабилизаторов, выполненных на основе микросхем

КР142 ЕН?

28. Какие основные требования предъявляются к схемам защиты стабилизаторов?

29. Как на практике можно определить КПД КСН?