Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины
Донбасская государственная машиностроительная академия
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К лабораторным работам по дисциплине
«Электроника и схемотехника»
Для студентов специальности 6.050504
«Технология и оборудование сварки»
Утверждено
на заседании кафедры ОиТСП,
протокол №20 от 05.06.2012 г.
Краматорск 2012
УДК 624.014:53.4
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине
«Электроника и схемотехника» для студентов специальности
«Технология и оборудование сварки» / Сост. Лысак В.К. Кра-
маторск: ДГМА, 2012. - 56 с
Приведено краткое описание выпрямителей и сглаживаю-
щих фильтров, параметрических стабилизаторов напряжения,
управляемых выпрямителей на тиристорах, усилителей на
биполярных транзисторах. Охарактеризован ключевой ре-
жим работы транзисторов, импульсные усилители,операцион-
ные усилители и элементы цифровой логики. Изложены методи-
ки исследования статических и динамических характеристик,
рассмотренных элементов и устройств электроники, обработки
и анализа результатов исследований.
Составитель Лысак В.К., ст.преп.
Отв.за выпуск Макаренко Н.А., проф.
В В Е Д Е Н И Е
Лабораторные работы по курсу «Электроника и схемотехника» проводятся с целью детального изучения принципа работы и схем построения элементов промышленной электроники и приобретения практических навыков в определении их электрических характеристик. Лабораторный практикум является необходимым дополнением к лекционному курсу, так как способствует не только закреплению теоретического материала, но и значительно расширяет его в практическом отношении, обеспечивает более глубокое и долговременное знание изучаемого предмета.
Студент обязан самостоятельно изучить лекционный материал и методические указания по выполняемой работе и подготовить, необходимые для регистрации опытных данных, таблицы и формы.
Перед работой преподаватель контролирует уровень теоретической подготовки студентов. Неподготовленные студенты к выполнению практической части работы не допускаются.
При работе в лаборатории студентам приходится иметь дело с действующими электрическими приборами и установками, поэтому необходимо соблюдать меры предохранения от поражения электрическим током.
По ходу выполнения работы студенты должны соблюдать следующие правила техники безопасности:
1 Приступать к сборке электросхемы только при отключенном напряжении питающей сети.
2 Включение экспериментального стенда допускается только после проверки схемы преподавателем.
3 При включенном оборудовании не прикасаться к токоведущим элементам и клеммам измерительных приборов.
4 Все переключения в электрических схемах должны производиться при отключенном питании и выведенных на ноль регуляторах.
5 Разбирать электрическую схему необходимо при отключенном напряжении питания и только после разрешения преподавателя.
Полученные при выполнении экспериментов результаты следует показать преподавателю, который определяет достоверность полученных данных и необходимость повторения того или иного опыта. Отчеты по выполненным лабораторным работам оформляются на листах формата А4.
Оценка за выполнение лабораторной работы выставляется преподавателем по результатам опросов, собеседований с учетом активности студента в ходе выполнения работы.
Перед зачетом все выполненные работы подшиваются в общий отчет, оформленный согласно установленному образцу.
1 Лабораторная работа №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ И СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ
Цель работы: исследование основных электрических параметров однофазных и трехфазных выпрямителей и влияния емкостных и индуктивных фильтров на характер пульсаций выпрямленного напряжения.
1.1 Теоретические сведения
Выпрямитель - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
В зависимости от числа фаз первичного источника питания выпрямители делятся на однофазные и многофазные (обычно трехфазные).
По форме выпрямленного напряжения выпрямители подразделяют на однополупериодные и двухполупериодные.
Основные электрические параметры выпрямителя:
- средние значения выпрямленного тока и напряжения IН.СР и UН.СР;
- мощность нагрузочного устройства РН.СР = UН.СР х IН.СР;
- амплитуда основной гармоники пульсаций выпрямленного напряжения UОСН.m;
- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения q = UОСН.m/UН.СР;
- действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора I1, U1, I2, U2;
Схема однофазного однополупериодного выпрямителя приведена на рис.1.1, а.
Рисунок 1.1 - Схема (а) и временные диаграммы (б) напряжений
однополупериодного выпрямителя
Выпрямитель состоит из трансформатора Т, к вторичной обмотке которого последовательно подключены диод VD и нагрузка RH.
Работу выпрямителя рассмотрим с помощью временных диаграмм рис. 1.1, б. В первый полупериод, т.е. в интервале времени (0-Т/2), диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки b, и в цепи возникает ток IH. В интервале времени Т/2 - Т диод закрыт, так как потенциал точки a ниже потенциала точки b, ток в нагрузке отсутствует, а к запертому диоду приложено обратное напряжение U2.
UН.СР.=(1/2p) 
=(
U2/2p)(-coswt) 
=
= 
U2/p »0,45 U2 (1.1)
или
U2 = pUН.СР/ »2,22UН.СР, (1.2)
IН.СР = 0,45 U2 / RН, (1.3)
UОБР.max = U2m = U2 (1.4)
Для определения коэффициента пульсаций запишем разложение выходного напряжения выпрямителя в ряд Фурье:
UН = UН.СР(1 + (p/2) coswt + (2/3) cos2wt - (2/15) cos4wt +...).
Отсюда
q = UОСНm /UН.СР = UН.СР (p/2)/UН.СР = p/2 » 1,57 (1.5)
Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота, а недостатками - большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленного тока и напряжения, неэффективное использование трансформатора.
Кроме того, так как ток во вторичной обмотке трансформатора протекает в одном направлении, происходит подмагничивание сердечника трансформатора. При этом уменьшается магнитная проницаемость сердечника, снижается индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а, следовательно, к снижению КПД. всего выпрямителя.
Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств, допускающих повышенную пульсацию. Мощность до 30 Вт.
Диоды для выпрямителей выбираются по максимальному прямому току и максимальному обратному напряжению. Для надежной работы диодов требуется выполнение условий IПР.СР > IН.СР и UОБР.max > Ö2U2 с превышением примерно на 30%. При выпрямлении напряжения, амплитудное значение которого превышает UОБР.max для одного диода, можно включать последовательно несколько однотипных диодов. Поскольку обратные сопротивления у однотипных диодов имеют некоторый разброс, то и обратные напряжения на последовательно включенных диодах будут разными. Для выравнивания обратных напряжений параллельно диодам включают шунтирующие резисторы RШ. Обычно RШ » (0,1 - 0,2) RОБР.
Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора. Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис.1. 2)
Рисунок 1.2 - Схема (а) и диаграммы напряжений (б) мостового
однофазного выпрямителя
Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной диагонали моста подключается вторичная обмотка трансформатора, а к другой - нагрузка Rн. Каждая пара диодов (VD1 и VD4; VD2 и VD3) работает поочередно. В первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора (интервал времени [0 - Т/2]) потенциал точки а выше потенциала точки b и открыты диоды VD1 и VD4. Ток протекает по цепи а-VD1- RН -VD4-b в направлении указанном стрелкой. В следующий полупериод [интервал (Т/2-Т)] потенциал точки b выше потенциала точки а. При этом открыты диоды VD2 и VD3, а диоды VD1 и VD4 закрыты. Ток протекает по цепи b-VD2-RH-VD3-а. Через нагрузку ток в оба полупериода протекает в одном направлении. В нагрузке протекает пульсирующий ток с числом пульсаций за период питающего переменного напряжения равным 2 (рис.1.2, б).
Анализ временных диаграмм позволяет получить выражения для средних значений выпрямленных напряжения и тока:
UН.СР = (1/p) = 2U2m/p = 2 U2/p » 0,9 U2; (1.6)
U2=(p/2 )UН.СР» 1,11 UН.СР.; (1.7)
IН.СР = UН.СР/RН » 0,9 U2/RН. (1.8)
Средний прямой ток через вентиль
IПР.СР = 0,5IН.СР. (1.9)
Максимальное обратное напряжение на диодах
UОБР. max = U2m = U2 = (p/2)UН.СР » 1,57UН.СР. (1.10)
Коэффициент пульсаций для двухполупериодных однофазных и многофазных выпрямителей может быть определен по формуле
q = 2/ (m2 - 1), (1.11)
где m - число пульсаций за период.
В данном случае m = 2. Следовательно,
q = 2/3 »0,67 (1.12)
Анализ приведенных соотношений показывает, что при одинаковых параметрах трансформатора и сопротивления нагрузки мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества: средние значения выпрямленных тока и напряжения в два раза больше, а пульсации значительно меньше.
Двухполупериодные однофазные выпрямители широко применяются для питания нагрузочных устройств малой и средней мощности.
Для питания нагрузочных устройств средней и большой мощности применяют трехфазные выпрямители. Наиболее распространенной является трехфазная мостовая схема (рис. 1.3). Вентили VD1, VD3, VD5 составляют катодную группу и их общая точка образует положительный полюс выпрямителя. Вентили VD2, VD4, VD6 составляют анодную группу и их общая точка образует отрицательный полюс выпрямителя.
Рисунок 1.3 - Схема (а) и временные диаграммы напряжений (б)
трехфазного мостового выпрямителя
В этом выпрямителе в каждый момент времени ток протекает через нагрузку и те два вентиля, к которым приложено наибольшее напряжение. Например, в интервале времени (t1 - t2) (рис. 1.3, б) наибольшим является линейное напряжение Uаb открыты диоды VD1 и VD4, и ток протекает по цепи а-VD1-RН- VD4-b. В интервале (t2 - t3) наибольшим является напряжение Uас и ток протекает по цепи а-VD1-RН-VD6- c и так далее. Длительность каждого интервала одинаковой проводимости составляет p/3 и за период имеем 6 пульсаций выпрямленного напряжения. Коэффициент пульсаций в соответствии с формулой (1.11) составит
q = 2/(62 - 1) = 2/35 » 0,057. (1.13)
Среднее значение выпрямленного напряжения составит:
UН.СР= 3/p 
= (3 /p)U2л = (3 
/p) U2
= 3Ö6/p » 2,34U2, (1.14)
где U2л - линейное, а U2 - фазное напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Максимальное обратное напряжение, приложенное к вентилю, равно амплитудному значению линейного напряжения.
UОБР.max = U2л max = U2л = (p/3) UН.СР. » 1,045 UН.СР. (1.15)
Ток через каждый вентиль протекает в течение одной трети периода, следовательно,
IПР.СР = IН.СР/3 » 0,33IН.СР. (1.16)
То есть выпрямленное напряжение при любой схеме выпрямления является пульсирующим. Допустимый коэффициент пульсаций зависит от назначения выпрямителя. Для снижения пульсаций используются сглаживающие фильтры. Основными элементами фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного тока. Основным параметром фильтра является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на выходе и входе фильтра:
S = qВХ / qВЫХ (1.17)
В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.
Емкостной фильтр включают параллельно нагрузке (рис.1.4). Работу емкостного фильтра характеризуют временные диаграммы (рис. 1.4, б, г). В интервале (t1 - t2) конденсатор через открытый диод заряжается до амплитудного значения напряжения U2, так как в этот период U2 > Uс. В интервале (t2 - t3), когда U2 < UС конденсатор разряжается через нагрузку, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе, которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра, или просто сглаживая пульсации при других схемах выпрямления. Чем больше СФ и RН, тем меньше разрядится конденсатор и меньше будут пульсации в выпрямленном токе. При выполнении условия
ХС= 1/w1СФ<<RН (ХС < 0,1RН), (1.18)
где w1= mw - круговая частота первой гармоники пульсаций выпрямленного напряжения, коэффициент сглаживания можно приближенно определить по формуле
S = mwСФRН. (1.19)
Емкостной фильтр целесообразно применять при высокоомной нагрузке и малой потребляемой мощности (обычно при мощности не более нескольких десятков ватт).
Рисунок 1. 4 - Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и
мостовым (в) выпрямителями и их временные диаграммы (б, г)
При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максимальный ток диода определяется лишь прямым сопротивлением вторичной обмотки трансформатора. Этот ток может достигать значений больших IПР.mах для диода и вывести его из строя. Для предотвращения этого последовательно с конденсатором необходимо включать добавочный резистор. Кроме того, необходимо учитывать, что напряжение UОБР.mах, прикладываемое к диоду, в два раза превышает U2m, так как в момент времени когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складываются.
Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя LФ, включают последовательно с нагрузкой (рис.1. 5).
Во время положительной полуволны выпрямленного напряжения происходит накопление в дросселе энергии, которая во время перерыва в протекании тока через диод отдается в нагрузку, обеспечивая сглаживание пульсаций. Энергия, накопленная в индуктивности,
ЕL = I2L/2 (1.20)
Поэтому действие индуктивного фильтра тем эффективнее, чем больше LФ и IН, то есть, чем меньше RН. При применении индуктивного фильтра должно выполняться условие mwLФ >> RН. При этом коэффициент сглаживания пульсаций можно приближенно определить по формуле
S = mwLФ/RН. (1.21)
Рисунок 1.5 - Схема индуктивного фильтра с однополупериодным
выпрямителем (а) и временные диаграммы напряжения
и токов (б)
Индуктивные фильтры применяют в выпрямителях средней и большой мощности.
Простейшим многозвенным фильтром является Г-образный фильтр LС типа (рис.1.6, а). Эти фильтры обеспечивают значительно большее уменьшение пульсаций, что объясняется совместным действием индуктивной катушки и конденсатора.
Рисунок 1.6 - Схемы Г-образного (а) и П -образного LС-фильтров
При выборе параметров LС-фильтра необходимо соблюдать условия
ХС = 1/mwCФ << RН; ХL = mwLФ >> RН. (1.22)
При этом коэффициент сглаживания пульсаций
S » (mwLф/RН)(mwСФRН) = m2w2LФСФ. (1.23)
П-образный фильтр (рис. 1.6, б) состоит из емкостного фильтра (СФ1) и Г-образного LС-фильтра (LФСФ2).
При соблюдении условий (1.22) коэффициент сглаживания такого фильтра
S = LФCФ1CФ2m2w2RН. (1.24)
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка включает:
- лабораторный стенд, содержащий трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого включены на схеме «треугольник» (U2л = 22 В); шесть диодов VD1 - VD6, соединенных по трехфазной мостовой схеме; три нагрузочных резистора RН1 = 100 Ом, RН2 = 30 Ом, RН3 = 15 Ом; два конденсатора C1 = 200 мкФ, C2 = 2000 мкФ, дроссель L = 0,2 Гн; стабилитрон VD7 с параметрами UСТ = 26 В, IСТ.min = 10 мА; IСТ.mах. = 150 мА, резистор балластный Rб = 47 Ом;
- вольтметры переменного и постоянного тока;
- амперметры постоянного тока;
- источник регулируемого переменного напряжения U = 25-40 В;
- электронный осциллограф.
1.3 Порядок выполнения работы
1.3.1 Ознакомиться с оборудованием и приборами.
1.3.2 Собрать электрическую схему однополупериодного однофазного выпрямителя (рис.1.7, а). Рассчитать по формулам (1.1), (1.3), (1.5) UН.СР, IН.СР, qО, при RН = 30 Ом.
1.3.3 Включить лабораторную установку. Измерить UН.СР, IН.СР и определить qО. Коэффициент пульсаций экспериментально можно приближенно оценить по формуле
qо = (UН.max – UН.min)/UН.СР. (1.25)
При этом UН.max и UН.min определяются по шкале на экране осциллографа с учетом установки переключателя чувствительности, а UН.СР - по вольтметру.
Результаты измерений занести в табл.1.1.
Осциллограммы напряжений зарисовать.
Рисунок 1.7 – Схемы экспериментального исследования однополупериодного (а), однофазного мостового (б), трехфазного мостового (в), однофазного мостового (г) с емкостным (д), индуктивным (е) и Г-образным (ж) LC-фильтром
1.3.4 Собрать электрическую схему однофазного мостового выпрямителя (рис. 1.7, б) при RН = 30 Ом. Выполнить расчеты и измерения указанные в пунктах 1.3.2 и 1.3.3, используя формулы (1.6), (1.7), (1.12), (1.25).
1.3.5 Собрать электрическую схему трехфазного мостового выпрямителя при RН = 30 Ом (рис. 1.7, в). Выполнить расчеты и измерения указанные в пунктах 1.3.2 и 1.3.3.
1.3.6 Собрать электрическую схему однофазного мостового выпрямителя с емкостным фильтром. Рассчитать коэффициент снижения пульсаций и коэффициенты пульсаций при СФ1 = 200 мкФ и СФ2 = 2000 мкФ при сопротивлениях нагрузки 145 Ом, 100 Ом и 45 Ом по формулам (1.19), (1.25), а также IН.СР.
1.3.7 Включить лабораторную установку и измерить q при указанных в пункте 1.3.6 значениях СФ и RН. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1.1. Осциллограммы напряжений зарисовать.
1.3.8 В схеме, собранной согласно пункту 1.3.6 вместо емкостного фильтра подключить индуктивный. Рассчитать коэффициенты снижения пульсаций и коэффициенты пульсаций при сопротивлениях нагрузки 15 Ом, 30 Ом, 45 Ом, 100 Ом, а также IН.СР, используя формулы (1.21), (1.25)..
1.3.9 Включить лабораторную установку и измерить q при указанных в пункте 1.3.8 значениях RН. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1.1. Осциллограммы зарисовать.
1.3.10 Подключить к однофазному мостовому выпрямителю Г-образ-ный LC-фильтр. Рассчитать коэффициенты пульсаций и коэффициенты снижения пульсаций при С = 2000 мкФ и сопротивлениях нагрузки 15 Ом,
45 Ом и 130 Ом, а также IН.СР, используя формулы (1.22), (1.25).
1.3.11 Включить лабораторную установку и измерить q при указанных в пункте 1.3.10 значениях RН. Результаты измерений занести в табл.1.1. Осциллограммы зарисовать.
Содержание отчета
1.4.1 Наименование и цель работы.
1.4.2 Схемы экспериментального исследования выпрямителей и фильтров
(рис. 1.7).
1.4.3 Таблица результатов измерений.
1.4.4 Расчетные формулы и результаты вычислений коэффициента пульсаций и коэффициента сглаживания пульсаций.
1.4.5 Выводы по работе.
1.5 Контрольные вопросы
1.5.1 Что такое выпрямитель?
1.5.2 Охарактеризовать основные параметры выпрямителей.
1.5.3 Описать работу однополупериодного, однофазного мостового и трехфазного мостового выпрямителя.
1.5.4 Что такое коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания пульсаций?
1.5.5 Охарактеризовать принцип сглаживания пульсаций емкостным и индуктивным фильтром.
1.5.6 Как зависит коэффициент сглаживания пульсаций от величины сопротивления нагрузки для емкостного и индуктивного фильтра?
2 Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА
НАПРЯЖЕНИЯ
Цель работы: приобретение навыков расчета и анализа параметрического
стабилизатора напряжения на стабилитроне.
Теоретические сведения
Стабильность напряжения питания является необходимым условием нормальной работы многих электронных устройств и нормального протекания ряда технологических процессов.
Для стабилизации напряжения на нагрузке при колебаниях напряжения сети или потребляемого нагрузкой тока применяют стабилизаторы напряжения.
Стабилизаторы напряжения подразделяют на параметрические и компенсационные. Параметрический стабилизатор основан на использовании элемента с нелинейной характеристикой, например, стабилитрона. Схема и вольт-амперные характеристики стабилизатора напряжения приведены на рис. 2.1.
Стабилитрон VD в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузке RН. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор Rб.
Входное напряжение UВХ, подаваемое на схему стабилизации должно быть больше напряжения стабилизации стабилитрона UСТ. Часть входного напряжения падает на резисторе Rб, а остальная часть приложена к нагрузке.
Uн = Uвх- (Iст +Iн) Rб, (2.1)
Iн=Uн/Rн = Uст/Rн. (2.2)
На рис. 2.1,б приведены вольтамперная характеристика стабилизатора (3) и «опрокинутые» вольт-амперные характеристики резистора Rб (1 и 2). При увеличении напряжения UВХ1 (положение 1) на D UВХ, например, из-за повышения напряжения в сети, вольт-амперная характеристика резистора Rб переместится параллельно самой себе и займет положение 2.
Рисунок 2.1 - Схема параметрического стабилизатора напряжения на
полупроводниковом стабилитроне (а) и вольт-амперные
характеристики (б), поясняющие его работу
Так как вольт-амперная характеристика стабилитрона на рабочем участке (от IСТ.min до IСТ.max) является почти вертикальной, то напряжение UСТ..2 мало отличается от UСТ.1, т.е. напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется практически неизменным. Напряжение на нагрузке останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока.
Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора Rб должно быть таким, чтобы при номинальном значении входного напряжения его вольт-амперная характеристика пересекала вольт-амперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току стабилизатора IСТ.НОМ. При всех возможных изменениях UВХ и RН ток через стабилитрон не должен выходить за пределы допустимых значений:
Iст.min £ Iст. £ Iст.max . (2.3)
Из уравнений (2.1) и (2.2) получим:
Uст = Uвх - (Iст + Uст / Rн) Rб (2.4)
Отсюда
Rб= (Uвх-Uст)/ (Iст + Uст/ Rн) (2.5)
Расчет Rб предварительно может быть выполнен по формуле (2.5). При этом принимается IСТ = IСТ.ном, а UВХ.ном = (1,2 - 1,8)UСТ. Затем проверяется выполнение условия (2.3).
Из уравнения (2.4) следует:
Iст = (Uвх- Uст(Rб/ Rн + 1)/ Rб. (2.6)
Наибольший ток через стабилитрон протекает при UВХ = UВХ.max и RН = RН.max:
Iст.max=(Uвх.max-Uст(Rб/Rн.max+1))/Rб. (2.7)
Наименьший ток через стабилитрон протекает при UВХ = UВХ.min и
RН = RН.min:
Iст.min=(Uвх.min-Uст(Rб/Rн.min+1))/ Rб. (2.8)
При невыполнении одного из условий (2.7) или (2.8) производится корректировка выбранных Rб или UВХ.ном.
2.2 Описание лабораторной установки
Лабораторная установка включает:
- лабораторный стенд, содержащий четыре диода VD1 -VD4, соединенные по мостовой схеме, стабилитрон VD7 с параметрами UСТ = 26 В, IСТ.min = 10 мА, IСТ. mах = 180 мА, резистор балластный Rб = 80 Ом, нагрузочные резисторы R1 = 200 Ом, R2 = 40 Ом, R3 = 150 Ом, конденсатор С1 = 200 мкФ;
- миллиамперметр постоянного тока;
- вольтметры переменного и постоянного тока;
- источник регулируемого переменного напряжения U = 0 - 35 В.
2.3 Порядок выполнения работы
2.3.1 Ознакомиться с оборудованием и приборами.
2.3.2 Принимая UВХ.ном = 40 В; UВХ.max = 45 В; UВХ.min = 33 B; RН.НОМ. = 350 Ом; RН.max = 390 Ом; RН.min = 330 Ом; IСТ.НОМ. = 100 мА; рассчитать, используя формулы (2.5), (2.7), (2.8), Rб, IСТ.min, IСТ.max и проверить выполнение условия (2.3).
2.3.3 Собрать электрическую схему (рис.2.2) для исследования стабилизатора напряжения, подключив RН = 390 Ом.
Рисунок 2.2 - Схема экспериментального исследования стабилизатора
напряжения
2.3.4 Изменяя U вх от 45 до 20 В с заданным шагом, измерить значение
UВЫХ = UСТ. Результаты измерений занести в табл. 2.1.
Таблица 2.1 - Результаты исследований стабилизатора напряжения
| RН, Ом | UВХ, В | ~ U, В | UВЫХ, В | IСТ, мА |
2.3.5 Повторить измерения, указанные в пункте 3.4 для RН = 350 Ом и RН = 240 Ом.
2.3.6 По результатам, полученным согласно пункту 2.3.4, построить вольт-амперную характеристику стабилитрона UСТ = ¦(I).
2.3.7 По результатам, полученным согласно пунктам 2.3.4, 2.3.5, построить графики зависимости UВЫХ = ¦(UВХ) для трех значений сопротивления нагрузки.
2.3.8 По результатам, полученным согласно пункту 2.3.4, рассчитать коэффициент стабилизации:
КСТ = (DUВХ/UВХ.ном) / (DUВЫХ./ UВЫХ), (2.9)
а также внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора
RВЫХ = D UВЫХ /DIВЫХ
При расчетах принимать DUВХ = UВХ.mах - UВХ.min
2.4 Содержание отчета
2.4.1 Указать наименование и цель работы
2.4.2 Привести схему экспериментального исследования стабилизатора
2.4.3 Привести результаты расчета Rб, а также IСТ.min и IСТ.max.
2.4.4 Привести таблицу результатов исследований и графики зависимостей, указанные в пунктах 2.3.6 и 2.3.7.
2.4.5 Сделать выводы по работе.
2.5 Контрольные вопросы
2.5.1 Пояснить принцип работы параметрического стабилизатора напряжения, используя схему стабилизатора и вольт-амперную характеристику стабилитрона.
2.5.2 Каково назначение балластного резистора в схеме стабилизатора?
2.5.3 Каким выражением определяется коэффициент стабилизации?
Лабораторная работа 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
Цель работы: изучить принцип фазо-импульсного управления тиристорным выпрямителем и исследовать его характеристики.
3.1 Теоретические сведения
От выпрямителей часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, так и в цепи выпрямленного тока. При управлении в цепи переменного напряжения применяют специальные регулируемые трансформаторы (автотрансформаторы, трансформаторы с подвижными обмотками, с подмагничиванием сердечника и др.). Управление выпрямителем может также осуществляться с помощью реостатов или потенциометров, включаемых в цепи постоянного или переменного тока. Однако, подобные способы управления выпрямленным напряжением (током) при их относительной простоте имеют низкий к.п.д., большие массу, габариты и стоимость.
Более экономичным и удобным является управление выпрямленным напряжением (током) в процессе выпрямления, так называемое управляемое выпрямление.
Управляемые выпрямители чаще всего строятся на тиристорах.
Тиристорами называют управляемые полупроводниковые приборы на основе многослойных (четыре слоя или более) р-n структур, способные под действием сигналов управления переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее).
Наиболее распространенная разновидность тиристора основана на четырехслойной р-n-р-n структуре. Условно-графическое изображение такого тиристора приведено на рис. 3.1. Электроды прибора называются: А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод.
а б в
Рисунок 3.1 – Тиристор управляемый по катоду (а), управляемый по аноду (б) и схема включения тиристора (в)
Если включить тиристор в электрическую цепь (рис. 3.1, в), то при нулевом сигнале на управляющем электроде ток в цепи будет отсутствовать
(I = 0). Это связано с тем, что в закрытом состоянии сопротивление тиристора очень велико. Если на управляющий электрод подать отпирающий импульс положительной полярности, то тиристор открывается и через нагрузку RН начинает протекать ток. Падение напряжения на включенном тиристоре мало (UПР.ОТКР = 1 – 3 В), поэтому анодный ток после включения определяется выражением
IН » UП/ RН
Важнейшей особенностью тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно только в результате снижения анодного напряжения до нуля или до отрицательного значения (UП £ 0) или прерывания анодного тока. Управляющая цепь выполняет только одну функцию – включение тиристора. Такой тип тиристора является наиболее распространенным и называется однооперационным или незапираемым.
Существуют также двухоперационные (запираемые) тиристоры. В этих приборах при подаче отрицательного импульса на управляющий электрод возможно осуществить запирание анодного тока. Требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса.
Если включить тиристор в электрическую цепь с источником переменного напряжения, то тиристор будет проводить ток в каждый положительный полупериод («+» подведен к аноду) при условии подачи управляющего импульса вначале каждого положительного полупериода. Изменяя момент подачи управляющего импульса, то есть угол сдвига момента подачи управляющего импульса относительно начала положительного полупериода, можно управлять средним значением тока и напряжения на нагрузке. Этот угол сдвига обозначают a и называют углом открытия (включения) тиристора.
Управляемый тиристорный выпрямитель содержит (рис. 3.2, а) трансформатор Т, выпрямительный блок на тиристорах VS и блок фазового управления БФУ.
В зависимости от назначения выпрямителя выпрямительный блок может строиться по однополупериодной, однофазной или трехфазной мостовой, шестифазной с уравнительным реактором, кольцевой и другим схемам.
Блок фазового управления обеспечивает формирование управляющих импульсов и их фазовое регулирование. Число каналов управления равно числу тиристоров выпрямительного блока. Изменение фазы импульсов может осуществляться ручным регулятором или автоматически в зависимости от сигналов обратной связи.
Если нагрузка работает на переменном токе, то она включается в сеть через пару (или несколько пар при многофазной нагрузке) встречно-параллельно включенных тиристоров (рис. 3.2, б).
Рисунок 3.2 – Структурная схема тиристорного выпрямителя (а) и управления нагрузкой, работающей на переменном токе
Блоки фазового управления могут строится по различным схемам. Основными являются схемы с использованием фазосдвигающей цепочки (фазовращателя) и схемы, использующие ток, называемый вертикальным принципом управления.
На рис. 3.3 приведена схема импульсно-фазового управления однополупериодным, однофазным выпрямителем с мостовым фазовращателем.
Рисунок 3.3 – Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с
импульсно-фазовым управлением
В состав мостового фазовращателя входят: вторичная обмотка трансформатора Т1, содержащая две одинаковые части W2 = W3 c выводом от средней точки, конденсатор С1 и резистор R1. Обозначим напряжения на обмотках трансформатора U3 и U4, напряжение на конденсаторе UС, а напряжение на резисторе UR. Очевидно, что
`U2 +`U3 =`Uав = `UС +`UR
Напряжения U3 и U4 совпадают по фазе между собой и с напряжением на обмотке W2, от которой питается цепь нагрузки тиристорного выпрямителя. Напряжение на конденсаторе UС отстает по фазе от напряжения на резисторе UR на 90°. Векторная диаграмма напряжений фазовращателя приведена на рис. 3.4.
Рисунок 3.4 – Векторная диаграмма фазовращателя
Так как векторы напряжений `UС и`UR сдвинуты на 90° и сумма их при любых значениях UC и UR`по