С использованием пакета EWB смоделировать схему регулятора напряжения рис.4.2.1 и с помощью осциллографа определить величину и зарисовать осциллограммы следующих напряжений: Uпит (точка 1); Uаноде VD2 (точка 2); Uст (точка 3); Uэ.мах (точка 4); Uупр.имп. (точка 5).
Измеренные значения этих напряжений занести в таблицу при угле αmin и αmах.
Рис. 2.4.2.1 Схема регулятора напряжения
Для снятия осциллограмм напряжений в заданных точках, необходимо подсоединить осциллограф к исследуемой точке.
Настройка осциллографа
Обработка результатов
1. Пронаблюдать изменение значения напряжения в заданных точках схемы.
2. Сравнить теоретические значения с практическими результатами.
3. Сделать выводы влияния фазового регулирования на значения напряжения.
4. Дать характеристику изменения напряжения в каждой исследуемой точке схемы.
Содержание отчета к лабораторной работе
Отчет должен содержать:
1. Цель лабораторной работы.
2. Краткое теоретическое введение.
3. Исследуемую схему.
4. Расчетные данные.
5. Полученные осциллограммы напряжений.
6. Таблицу результатов.
7. Выводы.
2.7 Контрольные вопросы
1. Способы регулирования действующего значения напряжения.
2. Назвать основные способы включения тиристоров.
3. Как можно выключить тиристор в цепи постоянного тока?
4. Можно ли построить схему выключателя переменного тока, используя один тиристор?
5. Какой основной принцип работы тиристорных регуляторов переменного напряжения?
Лабораторная работа №3
Компенсационный стабилизатор
Цель работы
Ознакомление с принципом действия и построения схем компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения с использованием пакета Electronics Workbench, а также освоения методики расчета одной из схем стабилизаторов постоянного напряжения.
Теоретическое введение
Стабилизатором напряжения (СН) называют устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменениях в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки.
В качестве стабилизаторов постоянного напряжения (СН) используются непрерывные (линейные) и импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН). В данной работе будут рассмотрены и изучены некоторые схемы непрерывных (линейных) стабилизаторов постоянного напряжения.
Основным параметром, характеризующим работу стабилизатора, является коэффициент стабилизации, равный отношению относительного изменения напряжения на входе к отрицательному изменению напряжения на выходе стабилизатора. Коэффициент стабилизации по напряжению равен:
КСТ.U = (1)
где: Δ UВХ =UВХ.МАХ -UВХ.МIN, Δ UВЫХ =UВЫХ.МАХ -UВЫХ.МIN;
UВХ.НОМ и UВЫХ.НОМ - номинальное значение напряжения на входе и выходе стабилизатора.
Для различного типа стабилизаторов коэффициент стабилизации может меняться в широких пределах - от единиц до тысяч.
По точности поддержания стабилизируемой величины стабилизаторы подразделяют на группы:
1) низкой точности, с нестабильностью выходной величины более 2,5%
2) средней точности - от 0,5 до 2,5%
3) высокой точности - от 0,1 до 0,5%
4) прецизионные - менее 0,1%
Выходным сопротивлением стабилизатора называют отношение приращения напряжения на входе стабилизатора к вызвавшему его приращению тока нагрузки при постоянстве входного напряжения и других дестабилизирующих факторов
Ri.СТ = - Δ UН / Δ IН (2)
Знак " - " показывает, что с ростом тока нагрузки выходное напряжение (напряжение на нагрузке UН) уменьшается, и наоборот, с уменьшением тока нагрузки, выходное напряжение увеличивается. Зная внутреннее сопротивление, можно опре-
делить изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки. В стабилизаторах напряжения внутреннее сопротивление может достигать значения тысячных долей Ома.
Коэффициент полезного действия (к.п.д) стабилизатора может быть определен как
= (3)
где IН -ток нагрузки;
IВХ - входной ток стабилизатора;
UВХ.НОМ и UВЫХ.НОМ - номинальные значения входного и выходного напряжения.
Линейные стабилизаторы подразделяют на параметрические и компенсационные.
Среди линейных стабилизаторов постоянного напряжения наибольшее распространение получили так называемые компенсационные стабилизаторы.
Их подразделяют на две основные группы:
1 – с последующим регулирующим элементом
2 – с параллельным регулирующим элементом
Принцип работы компенсационных стабилизаторов может быть описан эквивалентными схемами на рис.1.
а) б)
Рис.1 Эквивалентные схемы последовательного (а) и параллельного
(б) компенсационных стабилизаторов
На рис. 1а приведена эквивалентная схема, соответствующая схеме с последовательным регулирующим элементом, в качестве которого используют реостат RP. Сопротивление реостата регулируют таким образом, чтобы при изменении входного напряжения или сопротивления нагрузки RН напряжение на выходе не изменилось. Очевидно, что увеличение входного напряжения или сопротивления нагрузки требует увеличение сопротивления RР,а их уменьшение соответствующего уменьшения RР.
В схеме рис.1б последовательно с нагрузкой включено добавочное сопротивление RД, а параллельно нагрузки потенциометр RР. Для поддержания выходного напряжения неизменным, сопротивление выходной ветви потенциометра должно уменьшаться при увеличении входного напряжения или сопротивления нагрузки, и увеличиваться при их уменьшении. Наличие добавочного сопротивления RД в схеме аналогично назначению балластного резистора, в параметрическом стабилизаторе.
Более широкое распространение в промышленной электронике получили схемы компенсационных стабилизаторов с последовательным регулируемым элементом.
Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения (КСН)
с последовательным регулируемым элементом приведена на рис.2. Регулируемый элемент с управляемым входом включен между источником входного нестабилизированного напряжения (например с выпрямительного устройства) и нагрузкой, подключаемой к стабилизируемому выходу. Стабилизатор содержит контур отрицательной обратной связи (ООС), представляющий собой усилитель рассогласования, один из выходов которого подключен к измерительному элементу, который реагирует на отклонения выходного напряжения от номинального значения, второй вход усилителя связан с источником опорного напряжения. Выход усилителя непосредственно воздействует на управляющий выход регулируемого элемента.
Рис. 2 КСН с последовательно – регулируемым элементом.
Усилитель рассогласования реагирует на разность между опорным напряжением и выходным напряжением стабилизатора (или его частью). Эту разность называют сигналом рассогласования. Усиленный усилителем сигнал рассогласования, подаваемый на управляющий вход регулирующего элемента, изменяет сопротивление последнего так, чтобы препятствовать любым изменениям выходного напряжения стабилизатора, какими бы причинами оно не вызывалось. Усилитель и источник опорного напряжения (ИОН) образуют схему управления стабилизатора.
В транзисторных электронных стабилизаторах в качестве регулируемых элементов используют транзисторы, сопротивление которых может изменяться в широких пределах при изменении напряжения базы. Усилитель рассогласования также выполняют на транзисторе, а в качестве источника опорного напряжения используют параметрический стабилизатор на стабилитроне. В качестве измерительного элемента используют усилитель выходного напряжения, выполненный на резисторах.
Одна из схем КСН приведена на рис.3
Схема КСН представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, который охвачен цепью обратной связи, состоящий из реостатного делителя R3, R4, R5 и усилителя постоянного тока (УПТ), выполненного на транзисторе VT2 с коллекторной нагрузкой RК. Источником опорного напряжения в схеме служит параметрический стабилизатор напряжения, выполненный на резисторе RБ и стабилитроне VD1. Входное напряжение для рассматриваемой схемы КСН для его нормальной работы должно превышать его выходное значение на 5÷10В.
Рис. 3 КСН с последовательным регулирующим элементом
Принцип действия стабилизатора следующий:
Выходное напряжение стабилизатора UВЫХ поступает на одну из диагоналей моста, в одно плечо которого включен стабилитрон VD1, во второе резистор RБ, а третье и четвертое плечи образованы резисторами R3 т R5 реостатного делителя. В диагональ моста включен эмиттерный переход усилительного транзистора VT2. Так как напряжение на стабилитроне стабильно, то при изменении выходного напряжения UВЫХ изменяется падение напряжения между диагоналями моста (между точками подключения эмиттера и базы транзистора.). Если по какой - либо причине напряжение UВЫХ увеличивается, то напряжение база - эмиттер транзистора VT2 возрастает, возрастает также ток базы VT2 и соответственно увеличивается ток его коллектора. Это приводит к увеличению напряжения на резисторе RК и к уменьшению тока базы транзистора VT1. Сопротивление регулируемого транзистора возрастает, также возрастает падение напряжения между его коллектором и эмиттером, и выгодное напряжение стабилизатора уменьшается, т.е. величина выходного напряжения стабилизатора возвращается к первоначальной. Аналогично происходит процесс и при уменьшении выходного напряжения.
Рассмотрим кратко процесс, происходящий при изменении величины сопротивления нагрузки стабилизатора. Допустим, что величина сопротивления нагрузки уменьшилась. Ток нагрузки возрастает, выходное напряжение стабилизатора уменьшается. Опять происходит в схеме тот же рассмотренный выше процесс, и выходное напряжение возвращается к номинальной величине, т.е. изменения входного напряжения и сопротивления нагрузки в значительной степени компенсируются.
Важным в схеме КСН является возможность точной регулировки его выходного напряжения. Изменяя сопротивление переменного резистора R4, мы тем самым изменяем сопротивление двух плеч моста, изменяем потенциал базы управляющего транзистора VT2 и соответственно выходное напряжение. В схемах параметрических стабилизаторов за исключением отдельных случаев, возможность регулировки выходного напряжения отсутствует. В УПТ (транзистор VT2) используют транзисторы с большим коэффициентом усиления по току (h21Э), a в качестве регулируемого транзистора VT1 необходимо выбирать транзистор, у которого допустимый ток коллектора превышает ток нагрузки стабилизатора. Как и в предыдущей схеме при значительных токах нагрузки, регулируемый транзистор должен ставиться на теплоотвод. Также тепловая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, должна быть меньше, чем максимально допустимая мощность регулируемого транзистора. Как и в предыдущей схеме, желательно в качестве регулируемого транзистора использовать составной транзистор.
Следует указать, что схема электронного стабилизатора отличается весьма малой инерционностью и реагирует не только на медленные, но и на быстрые изменения напряжения. Поэтому электронный стабилизатор одновременно выполняет и роль сглаживающего фильтра. Электролитические конденсаторы С1 - СЗ ставятся в схему для дополнительного сглаживания пульсаций напряжения. Конденсатор C1 не обязателен в схеме, если в выпрямительном устройстве ставится сглаживающий фильтр.
В данной схеме (рис.3) регулируемый элемент (VT1) подключен к отрицательному полюсу входного напряжения. Плюсовая шина в данном стабилизаторе является общей для выхода и входа стабилизатора. Такой стабилизатор называют стабилизатор отрицательного напряжения. В схеме применены транзисторы p-n-p типа. Если же регулируемый элемент подключен к положительному полюсу источника входного напряжения, такая схема называется стабилизатор положительного напряжения. В общем случае в стабилизаторе положительного напряжения применяются транзисторы n-p-n типа. Коэффициент стабилизации КСТ схемы может составлять десятки единиц, а для получения больших его значений можно применять многокаскадные УПТ. Часто в качестве УПТ в КСН применяют ОУ, имеющие большой коэффициент усиления.
Существенным недостатком данной схемы является то, что входное напряжение UВХ используется для питания усилителя постоянного тока (усилителя рассогласования). Это резко снижает коэффициент стабилизации схемы по напряжению из-за прямой связи базы силового транзистора VT1 с входным напряжением через резистор RК.
Поэтому в технике часто применяется схема, где питание УПТ стабилизатора и базовой цепи регулируемого транзистора осуществляется стабилизированным напряжением отдельного источника питания UВХ (рис.4). В остальном работа схем осуществляется также, как и в предыдущем случае. Применение отдельного источника в схеме КСН позволяет повысить КСТ схемы до сотен единиц.
Отдельный источник стабилизированного питания представляет собой параметрический стабилизатор, выполненный на резисторе R1 и стабилитроне VD2.
Рис 4. Схема КСН с дополнительным источником питания
Помимо компенсационных стабилизаторов на дискретных элементах, существует ряд стабилизаторов, реализованных в интегральном исполнении.
Структурная схема одного из интегральных КСН приведена на рис.5. Он имеет тот же принцип работы, что и КСН на транзисторах. Отличия заключается в наличии схем зашиты от перегрева интегральной микросхемы и перегрузки по выходу.
Рис.5. Структурная схема интегрального КСН
В настоящее время находят применение универсальные (рис.6 а) и стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением (рис.6 б).
Универсальные стабилизаторы обладают возможностью регулирования выходного напряжения.
а) б)
Рис.6 Схемы включения интегральных стабилизаторов серии К142
Конденсаторы C1 и С2 образуют входной и выходной фильтры, их емкость выбирается в диапазоне 4,7 ÷ 47 мкФ. Входное напряжение схем стабилизаторов на ИМС должно быть на 5 ÷ 15 В выше величины выходного напряжения. Ток нагрузки интегральных стабилизаторов составляет до единиц ампер. При больших токах нагрузки стабилизаторы должны быть установлены на охлаждающие радиаторы.