Электропреобразовательные устройства: Методические указания к выполнению лабораторных работ

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный технический университет Кафедра радиотехники

ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654200 – радиотехника 200700 – радиотехника Направление подготовки бакалавра 552500 – радиотехника

Санкт-Петербург

2004

3

Утверждено редакционно-издательским советом университета К 621.311.6:621.313 Электропреобразовательные устройства : Методические указания к выполнению лабораторных работ – СПб.: СЗТУ, 2004 – 19с. Методические указания соответствуют требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654200 (специальность 200700 – «Радиотехника») и направлению подготовки бакалавра 552500. Методические указания включают три лабораторных работы: исследование выпрямителей, исследование сглаживающих фильтров и исследование стабилизаторов. Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры радиотехники 15 ноября 2004 г. Одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 02 декабря 2004г. Рецензенты: кафедра радиотехники СЗТУ (зав. кафедрой Г. И. Худяков, д-р. техн. наук, проф.); Л. Х. Нурмухамедов, канд. техн. наук, заслуженный машиностроитель России, доц. кафедры технической электроники Университета кино и телевидения. Составители: Л. В. Бессчетнова, канд. техн. наук, доц.; Ю. И. Кузьмин, канд. физ.-мат. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

4

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Лабораторные работы, представленные в настоящем сборнике, выполняются студентами 4 курса специальности 200700 – «Радиотехника» в соответствии с программой курса «Электропреобразовательные устройства». Причем первая лабораторная работа рассчитана на 4 академических часа, а вторая и третья работы на 2 академических часа. Перед выполнением работ необходимо проработать основные теоретические положения. Ознакомившись со стендом и собрав схему, надо снять теоретические и метрологические характеристики основных приборов, применяемых в данной работе, и получить разрешение преподавателя на включение установки. После завершения лабораторных работ каждый студент должен составить отчет. В отчете следует привести обработанные данные экспериментов, данные по расчету и выходы. Отчет по лабораторным работам предоставляется студентом при сдаче зачета по данной дисциплине. Отчеты о работах оформляются в тетрадях школьного образца и иллюстрируются необходимыми схемами, рисунками, таблицами. Мероприятия безопасности жизнедеятельности при проведении лабораторных работ Перед началом работ студентам следует пройти инструктаж по технике безопасности и правилам внутреннего распорядка в лаборатории. Во время проведения лабораторных работ запрещается: – подавать напряжение на установку без разрешения преподавателя; – собирать схему или производить изменения в установке при включенных рубильниках и выключателях с питающей сети; – отключать от сетевых приборов провод зануления; – оставлять без присмотра включенные лабораторные установки и приборы; – выполнять лабораторные работы в отсутствие преподавателя или лаборанта. При обнаружении неисправности необходимо немедленно прекратить работу, сообщить об этом преподавателю и отключить установку и приборы от источника напряжения. Студенты, не выполняющие правила техники безопасности, отстраняются от проведения лабораторных работ. Библиографический список 1. Иванов-Цыганов А. И. Электротехнические устройства радиосистем. М.: Высшая школа, 1981. 2.Электропитание устройств связи: Учебник. Л.А. Бокунеев, Б.В. Горбачев, Б.Е. Китаев и др. дж Под ред. Б.Е. Китаева.- М.: Радио и связь, 1988. 3. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник(Полный курс).- М.: Горячая линия–телеком, 1999 5

Работа 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Экспериментальное исследование основных характеристик нерегулируемых и регулируемых выпрямителей и сравнение их с теоретически рассчитанными. II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В работе исследуются нерегулируемые и регулируемые выпрямители с активной, активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузками, выпрямители с умножением напряжения. При выполнении работы следует ориентироваться на требования метрологического обеспечения, изложенные в приложении. III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ А. Нерегулируемые выпрямители В работе исследуются однофазная однополупериодная и двухполупериодная (мостовая) схемы выпрямителей. Макет лабораторной установки (рис. 1) содержит трансформатор Тр, вентиль (вентили) выпрямителя, элементы нагрузки и переключатели П1–П3. Переключателем П1 коммутируется схема выпрямителя, П2 – характер нагрузки, П3 – сопротивление нагрузки. Последовательно с вентилем включен добавочный резистор Rдоб, к которому подключается осциллограф для измерения угла отсечки вентиля с емкостно-активной нагрузкой. Выпрямитель с удвоением напряжения содержит вентили V6, V7 и конденсаторы С1, С2. Когда переключатель П1 в положении 3, снимается напряжение с конденсатора С1, в положение П1–4 – с конденсаторов С1 и С2. Б. Регулируемый выпрямитель В работе исследуется двухфазная (со средней точкой) схема регулируемого выпрямителя (рис. 2, а). В качестве нелинейных элементов в выпрямителе используются тиристоры V1–V2 типа КУ201. Тиристоры управляются импульсами, которые вырабатываются в устройстве управления (формирователе) (рис. 2, б). Формирователь включает в себя вторичную обмотку трансформатора со средней точкой, фазосдвигающие элементы С, Rгр, Rточ, усилительограничитель на транзисторах V3–V4, на выходе которых включены дифференцирующие цепи С1, R5 и С2, R6. Диоды V5–V6 предназначены для ограничения импульсов управления отрицательной полярности. Питание усилителейограничителей осуществляется от мостовой схемы выпрямителя V7–V10 и сглаживающего фильтра RфСф. Формирователь управляющих сигналов вырабатывает синхронные с частотой сети импульсы управления для тиристоров; временами их расстановка зависит от величин сопротивлений резисторов Rгр и Rточ; их ручки выведены на переднюю панель макета. 6

IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ А. Нерегулируемые выпрямители 1. Выпрямители с активной нагрузкой. а) Снять временные графики напряжений. Включить однофазную однополупериодную схему выпрямителя, для чего установить переключатели в положения: П1–1, П2–1, П3–1. Последовательно с нагрузкой включить амперметр. Включить питание на выпрямитель.

Рис. 1. Принципиальные схемы нерегулируемых выпрямителей

Рис. 2. Принципиальная схема регулируемого выпрямителя на тиристорах (а), схема управления (б)

Просмотреть и зарисовать осциллограммы напряжений на входе выпрямителя и в нагрузке. Используя масштабные метки осциллографа, измерить максимальную величину импульса напряжения в нагрузке Umax Включить мостовую схему выпрямителя и снять осциллограмму напряжения в нагрузке. б) Измерить постоянную составляющую выпрямленного напряжения U0. К нагрузке включить вольтметр ВК7-9, подготовленный для измерения постоянного напряжения. Для однофазной однополупериодной и мостовой схем выпрямителей измерить постоянные составляющие выпрямленного напряжения U 0 . 7

Измеренные значения постоянных составляющих сравнить с расчетными: – для однофазной однополупериодной схемы U 0 = U max / π ,

(1)

U 0 = 2U max / π ,

(2)

– для мостовой схемы где U max измерено в п. 1, а. в) Снять внешнюю характеристику выпрямителя U 0 = f ( I 0 ). Включить мостовую схему выпрямителя. Изменяя сопротивление нагрузки от максимального до минимального (режим холостого хода исключить), фиксировать соответствующие значения тока в нагрузке I 0 и напряжение U 0 . г) Измерить коэффициенты пульсаций. По измеренному в п. 1, а максимальной величине импульса напряжения в нагрузке U max и измеренным в п. 1, б постоянным составляющим выпрямленного напряжения U 0 , рассчитать коэффициенты пульсаций по первым гармоникам: – для однофазной однополупериодной схемы – для мостовой схемы

K п = U max / 2U 0 ,

K п = U max / U 0 ⋅ m / π (sin π / m) ⋅ 2 / m 2 − 1 = U max / U 0 ⋅ 4 / 3π , где m – число фаз выпрямления (m = 2).

Измеренные значения коэффициентов пульсаций сравнить с теоретическими данными: для однофазной однополупериодной схемы Кп=1,57, для мостовой Кп=0,67. 2. Выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой. Снять временные графики напряжения. Включить однополупериодную схему выпрямителя. Установить П1–1, П2–2, П3–1. Включить осциллограф на вход выпрямителя. Установить развертку осциллографа, соответствующую одному периоду напряжения сети. Зарисовать эпюру входного напряжения. Переключить осциллограф на нагрузку Rн и зарисовать форму выходного напряжения. 3. Выпрямитель с активно-емкостной нагрузкой. а) Снять временные графики напряжений. Включить однополупериодную схему выпрямителя, установив П1–1, П2–3, П3–1. Снять осциллограмму выходного напряжения. Повторить операцию при увеличенной постоянной времени разряда конденсатора С3, установив П3–3. б) Снять зависимость угла отсечки выпрямителя от сопротивления нагрузки v = f ( Rн ). Включить однофазную однополупериодную схему выпрямителя. Снять осциллограмму напряжения на входе выпрямителя. Включить осциллограф к резистору Rдоб , предварительно отключив вольтметр ВК7-9 от нагрузки (в противном случае нагрузка будет закорочена через общий провод 8

заземления приборов). Измерить углы отсечки выпрямителя при трех значениях сопротивления нагрузки (П3–1–3). Выключить питание установки. Отключить осциллограф от резистора Rдоб . в) Измерить коэффициент пульсаций. Включить однофазную однополупериодную схему выпрямителя, переключатель П3–1. Вольтметром ВК7-9 измерить постоянную составляющую выходного напряжения, а по осциллографу – максимальное U max и минимальное U min значения напряжения пульсаций в нагрузке. Рассчитать коэффициент пульсаций по формуле: K п = (U max − U min ) / 2U 0 .

Изменить нагрузку, поставив переключатель П3–3, и повторить операции. По измеренным значениям угла отсечки (п. 3, б) рассчитать коэффициенты пульсаций по первой гармонике по следующей формуле: Kï =

1 0 − sin 0 cos 0 , cos 0 πrn mω c C

(3)

где rn – сопротивление потерь выпрямителя, Ом; m – число фаз выпрямления; ωc = 2πfc – круговая частота напряжения сети, рад/с; C – емкость конденсатора С3, Ф; 0 – угол отсечки, рад. Данные для расчета: rn = 10 Ом, m = 1 , ωc = 2πfc = 314 рад/с, C = 100 ⋅10 −6 Ф. г) Снять внешнюю характеристику U 0 = f ( I 0 ) . Установить П1–2, П2–3, П3–1. Измерить выпрямленный ток I 0 и выпрямленное напряжение U 0 . Повторить операции для П3–2 и 3. 4. Выпрямитель с умножением напряжения Измерить коэффициент умножения напряжения. Установить П1–3, П2–1, П3–4 (режим работы – холостой ход). Измерить выпрямленное напряжение на конденсаторе С1. Переключить П1 в положение П1–4 и повторить измерение. Б. Регулируемый выпрямитель 1. Снять регулировочную характеристику выпрямителя – зависимость выпрямленного напряжения U 0 от угла регулирования α: U 0 = f (α ) . На макете регулируемого выпрямителя установить П–1. Включить к нагрузке вольтметр ВК7-9 и осциллограф С1-72. Включить питание выпрямителя. Ручками Rгр и Rточ установить угол регулирования α=90о; При этом на осциллографе должен быть импульс выпрямленного напряжения в виде четверти синусоиды. Записать выпрямленное напряжение U 0 . С учетом масштаба развертки осциллографа установить α=45о, затем α=135о и зафиксировать соответствующие значения выпрямленного напряжения. При угле регулирования α=90о измерить выходное напряжение, включив индуктивность α и обратный вентиль (П–2). 2. Ознакомиться с работой формирователя импульсов управления. 9

Установить П–1. Установить угол регулирования α=90о. Снять осциллограммы напряжений в нагрузке, на коллекторах транзисторов V3–V4, на входных электродах тиристоров. По осциллографу измерить амплитуду и длительность импульсов запуска тиристоров. Выключить питание установки. V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В отчете привести метрологические характеристики средств и методов измерения, изложенных в приложении. А. Нерегулируемые выпрямители 1. а) Привести упрощенные принципиальные схемы выпрямителей. Представить временные графики напряжений. б) Привести постоянные составляющие выпрямленных напряжений по данным эксперимента и сравнить их с расчетными. в) Привести внешние характеристики выпрямителей с активной и активноемкостной нагрузками (а. 3, г). Указать причины различного характера внешних характеристик. г) Привести данные эксперимента по измерению коэффициентов пульсаций, сравнить их с теоретическими данными и пояснить уменьшение пульсаций для постовой схемы. 2. Привести осциллограммы напряжений на входе выпрямителя и нагрузке Rн. 3. а) Привести осциллограммы напряжений на входе выпрямителя и в нагрузке. Пояснить причину уменьшения пульсаций напряжения при увеличении постоянной времени разряда конденсатора. б) Привести график зависимости угла отсечки от сопротивления нагрузки. Дать краткое объяснение причины изменения угла отсечки. в) Привести данные измерений коэффициента пульсаций и данные расчета по формуле (3). Привести программу расчета коэффициента пульсаций на МК-56. 4. Привести данные измерений напряжений на конденсаторах С1 и последовательно соединенных С1 и С2. Сделать вывод о величине коэффициента умножения напряжения. Б. Регулируемый выпрямитель 1. Привести регулировочную характеристику выпрямителя. Дать объяснение изменению выходного напряжения при включении индуктивности дросселя и обратного диода. 2. Привести осциллограммы напряжений и параметры импульсов управления. Литература: [1], c. 73–108, 130–138, или [2], c. 113–164, [3], c. 465–474.

10

Работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Экспериментальное исследование основных характеристик сглаживающих фильтров и сравнение их с расчетными. II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В работе исследуются RC-, LC- и транзисторный фильтр, снимаются зависимости коэффициентов фильтрации, коэффициентов передачи постоянных составляющих напряжений и коэффициентов сглаживания от параметров элементов фильтров, а также внешние характеристики. При выполнении работы необходимо учитывать требования метрологического обеспечения, изложенные в приложении. III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до допустимого по техническим условиям уровня для данной функциональной аппаратуры. Основной характеристикой сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания, под которым понимается отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра: K сгл = K пвх / K пвых = U m1вх / U m1вых ⋅ U вых 0 / U вх 0 .

Отношение амплитуд первых гармоник пульсаций на входе U m1вых фильтра называется коэффициентом фильтрации К ф = U m1вх / U m1вых .

Отношение постоянных составляющих выходного напряжения U вых 0 и входного U вх 0 называется коэффициентом передачи фильтра U вых 0 / U вх 0 .

Коэффициент фильтрации характеризует уровень подавления фильтром пульсаций, а коэффициент передачи – падение напряжения по постоянному току на включенном последовательно с нагрузкой элементе (или элементах) фильтра K сгл = K ф v .

Коэффициент фильтрации больше или много больше единицы, а коэффициент передачи меньше единицы. За счет коэффициента фильтрации коэффициент сглаживания больше или много больше единицы и чем он больше, тем выше качество фильтра. Для RC-фильтров v<1, а для LC-фильтров v ≈ 1 , поэтому коэффициент сглаживания LC-фильтров практически равен коэффициенту фильтрации. 11

При выполнении лабораторной работы не представляется возможным определять амплитуды напряжений первых гармоник; осциллографом можно измерить максимальный уровень пульсаций, но в этом случае измеряется не только первая гармоника, но и высшие гармонические составляющие. При измерении уровня пульсаций вольтметром измеряется также суммарный сигнал, составляющими которого являются первая гармоника и кратные ей составляющие. Это обстоятельство является одной из причин расхождения экспериментальных и расчетных данных по коэффициенту фильтрации. Для Г-образного звена RC-фильтра коэффициент сглаживания определяется зависимостью: K сгл = mω c C ф Rф ⋅ Rн /( Rн + Rф ) = K ф ⋅ v ,

(1) где m – число фаз выпрямления выпрямителя; ωс– круговая частота сети, рад/с; Сф – емкость конденсатора фильтра, Ф; Rф – сопротивление резистора фильтра, Ом; Rн – сопротивление нагрузки, Ом; K ф = mω c C ф Rф ; v = Rн /( Rн + Rф ) .

Для Г-образного звена LC-фильтра коэффициент сглаживания определяется зависимостью К сгл = (mωc / ωф ) 2 ⋅ Rн /( Rн + RL ) = K ф ⋅ v ,

где

RL –

сопротивление

дросселя

фильтра

постоянному

току,

(2) Ом;

ω ф = 1 / Lф С ф – собственная частота фильтра, рад/с; К ф = (mωc / ωф ) 2 ; v = Rн /( Rн + RL ) .

Для преобладания индуктивной реакции LC-фильтра необходимо, чтобы запаса энергии в индуктивности дросселя было бы достаточно для поддержания тока в нагрузке при отключенном вентиле. В противном случае реакция нагрузки на выпрямитель станет емкостной, что приведет к увеличению уровня пульсаций в нагрузке. Для обеспечения индуктивной реакции нагрузки на выпрямитель необходимо выбрать индуктивность дросселя, удовлетворяющую условию: Lmin ≥ 2 Rн /( m 2 − 1)mω c .

Транзисторные фильтры целесообразны при относительно небольших токах нагрузки (единицы–десятки мА). При последовательном включении транзистора к нагрузке при условии большого сопротивления коллекторного перехода по переменному току (дифференциального сопротивления) и малого сопротивления постоянному току (статического сопротивления) транзистор эквивалентен индуктивности дросселя LC-фильтра. Макет лабораторной установки включает в себя трансформатор Тр, мостовую схему выпрямителя V1–V4, элементы RC- и LC-фильтров (рис. 3, а) и транзисторный фильтр (рис. 3, б). Транзистор V5 включен в силовую цепь последовательно с нагрузкой Rн. Параллельно эмиттерному переходу V5 включен высокоомный транзисторный двухполюсник, состоящий из транзистора V6 с резистором в цепи эмиттера Rэ. Высокоомный двухполюсник совместно с конденсатором С образует Г-образное звено RC-фильтра, с помо12

щью которого уменьшается уровень пульсаций на базе V5. Кроме того, двухполюсник выполняет функции элемента смещения для V5. Стабилитрон V7 и переменный резистор Rб обеспечивают смещение на базе транзистора V6. Коэффициент сглаживания транзисторного фильтра определяется зависимостью K сгл = Rкб ⋅ rк /( Rкб + rк ) ⋅ mω c C ⋅ (U вых 0 / U вх 0 ) ,

(3) где Rкб – сопротивление высокоомного двухполюсника, Ом; rк – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода V5, Ом. Переключателем П1 коммутируются элементы фильтра, П2 – конденсаторы Сф, П3 – сопротивление нагрузки.

Рис. 3. Принципиальные схемы фильтров на пассивных элементах (а), транзисторного фильтра (б)

Меры по технике безопасности К первичной обмотке трансформатора Тр через разъемы подается напряжение сети Uc=220 В частоты f c = 50 Гц; напряжение на вторичной обмотке трансформатора порядка нескольких десятков вольт. Включение сети с лабораторной стойки производить только после включения соединительного жгута! Необходимо следить за наличием заземления всех сетевых контрольноизмерительных приборов. IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Исследовать зависимость Кф, v и Ксгл от параметров RC-фильтра. По формуле (1) рассчитать Кф, v и Ксгл при следующих входных данных: m = 2 , ωc = 2πf c = 314 рад/с, C ф = 20 мкФ, Rф = 100 Ом, Rн = 53 Ом.

Повторить расчет для увеличенной постоянной времени фильтра Сф = 50 мкФ, Rф = 510 Ом. Установить переключатели в положения П1–1, П2–1, П3–1. Включить амперметр, а к нагрузке – вольтметр ВК7-9, подготовленный для измерения постоянного напряжения. Включить напряжение сети. 13

Измерить постоянные составляющие выпрямленного напряжения в нагрузке Uвых0 и на входе фильтра Uвх0. Вычислить коэффициент передачи фильтра по постоянному току. Вольтметром, подготовленным для измерения переменного напряжения, измерить уровень пульсаций на входе и выходе фильтра и вычислить коэффициент фильтрации К ф = U вх ~ / U вых ~ .

Рассчитать коэффициент сглаживания. Увеличить постоянную времени фильтра, установив П1–2, П2–2 и повторить измерения. 2. Исследовать зависимость Кф, v и Ксгл от параметров LC-фильтра. По формуле (2) рассчитать Кф, v и Ксгл при следующих входных данных: Lф=0,16 Гн, Сф=20 мкФ, Rн=53 Ом, RL=10 Ом. Повторить расчет для Lф=1 Гн, RL=30 Ом в соответствии с п. 1 получить экспериментальные данные Кф, v и Ксгл для двух значений индуктивности дросселя. 3. Снять внешние характеристики RC- и LC-фильтров. Включить RC-фильтр, установив П1–2, П2–2. К нагрузке включить вольтметр для измерения постоянного напряжения. Изменяя нагрузку Rн, фиксировать соответствующие значения I0 и U0. Повторить измерения для LC-фильтра, установив П1–4, П2–2. 4. Исследовать зависимость Кф, v и Ксгл транзисторного фильтра. По формуле (3) рассчитать Кф, v и Ксгл при следующих входных данных: Rкб=500 кОм, rк=700 кОм, С=20 мкФ, Uвых 0=12 В, Uвх 0=18 В. Установить переключатель П1–5. В соответствии с методикой п. 1 экспериментально определить Кф, v и Ксгл. V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Привести принципиальные схемы фильтров. 1, 2. Привести расчетные и экспериментальные данные по Кф, v и Ксгл для различных параметров фильтров. Сделать выводы о причинах расхождения расчетных и экспериментальных данных. 3. Привести внешние характеристики U 0 = f ( I 0 ) , RC- и LC-фильтров. 4. Привести расчетные и экспериментальные данные Кф, v и Ксгл транзисторного фильтра. Литература: [1], c. 116–120, [2], c. 166–176.

14

Работа 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Экспериментальное исследование основных характеристик стабилизаторов постоянного напряжения и сравнение их с рассчитанными по формулам. II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В работе исследуются: А. Параметрический стабилизатор. Б. Компенсационный стабилизатор непрерывного режима на дискретных элементах. В. Компенсационный стабилизатор ключевого режима на интегральной микросхеме. III. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Стабилизаторы напряжения предназначены для автоматического поддержания напряжения в нагрузке при воздействии дестабилизирующих факторов. В отличие от сглаживающих фильтров стабилизаторы напряжения способны отрабатывать возмущения на очень низких частотах. С другой стороны, ввиду их малой инерционности (верхняя граничная частота порядка десятков-сотен килогерц) стабилизаторы напряжения наряду с основной функцией способны подавлять и пульсации, т. е. выполнять роль сглаживающих фильтров. Основными дестабилизирующими факторами являются изменения (нестабильность) напряжения сети, изменения нагрузки, изменения величины эталонного источника, изменения параметров элементов стабилизатора и т. д. Для оценки стабилизирующих свойств стабилизаторов вводятся коэффициенты стабилизации, соответствующие дестабилизирующему воздействию. При нестабильной сети коэффициент стабилизации по напряжению сети определяется по формуле: К ст (U ) = ( ΔU вх / U вх н ) : ( ΔU вых / U вых н ) ,

(1) где ΔUвх и ΔUвых – нестабильности напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора. При изменяющейся нагрузке коэффициент стабилизации по нагрузке определяется по формуле: К ст ( R ) = ( ΔR / Rном ) : ( ΔU вых / U вых н ) ,

(2) где ΔR и Rном – соответственно отклонение нагрузки от номинального значения и номинальное значение нагрузки. При нестабильном источнике эталонного напряжения коэффициент стабилизации по эталонному источнику определяется по формуле: 15

К ст (U эт ) = ( ΔU эт / U эт н ) : ( ΔU вых / U вых н ) .

(3) Наряду с коэффициентами стабилизации стабилизаторы напряжения (как и другие энергетические устройства) характеризуются внешней (нагрузочной) характеристикой и коэффициентом полезного действия. Параметрический стабилизатор напряжения (рис. 4, а) содержит балластный резистор Rб и стабилитрон V типа D 814. Переключателем П обеспечивается коммутация балластного резистора. При отклонении входного напряжения от номинального изменяется ток стабилитрона, что вызывает изменение падения напряжения на балластном резисторе, а напряжение в нагрузке остается примерно постоянным. Компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного режима на дискретных элементах (рис. 4, б) состоит из регулирующего транзистора V1 типа К1805А и согласующего транзистора V2 типа КТ801А. V1 – транзистор большой мощности, включен в силовую цепь (цепь нагрузки); второй транзистор средней мощности. Усилитель постоянного тока (УПТ) собран на транзисторе V3 малой мощности типа КТ312Б. В цепь коллектора V3 включен резистор Rк, сопротивление которого с параллельно включенным входным сопротивлением составного транзистора представляет эквивалент нагрузки усилителя. Источник эталонного напряжения реализован на параметрическом стабилизаторе V4, Rб и Rб’. Нестабильность эталонного источника имитируется изменением сопротивления балластного резистора. Питание УПТ, осуществляемое от дополнительного источника, подается через разъемы от выпрямителя лабораторного стола. Функции измерительного элемента выполняет датчик выходного напряжения на резисторах R2–R4. Изменением сопротивления резистора R3 обеспечивается начальная установка выходного напряжения. С целью повышения запаса устойчивости стабилизатора УПТ охвачен обратной связью по напряжению (конденсатор С1 небольшой емкости) и параллельно нагрузке включен конденсатор С2 с емкостью в несколько микрофарад. Переключателем П2 коммутируется нагрузка стабилизатора. Компенсационный стабилизатор напряжения ключевого режима построен на основе интегральной микросхемы типа 142ЕП1 (рис. 5). Функцию регулирующего элемента (ключа) выполняет транзистор V19 типа КТ814. Воздействие дестабилизирующих факторов приводит к изменению параметров импульсов управления ключа, что способствует стабилизации выходного напряжения. В отличие от стабилизаторов непрерывного режима, в импульсных стабилизаторах напряжение рассогласования в канале обратной связи из непрерывной формы необходимо преобразовать в периодическую последовательность импульсов. Эту функцию выполняет преобразователь на интегральной микросхеме 142ЕП1. Преобразователь способен работать в двух режимах: частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) и широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для реализации режима ШИМ требуется внешняя синхронизация; режим ЧИМ (или релейный) обеспечивается без внешней синхронизации. При ЧИМ под воздействием сигнала ошибки изменяется частота следования импульсов, а их длительность остается постоянной. При ШИМ под воздействием сигнала ошибки изменяется длительность импульсов при постоянной частоте следования. Как при ЧИМ, так и при ШИМ изменяется 16

скважность импульсной последовательности, что приводит к изменению среднего значения тока ключа и компенсации дестабилизирующего фактора. В лабораторной работе исследуется преобразователь с ЧИМ. Элементы преобразователя на принципиальной схеме обведены пунктирной линией. Выходное напряжение снимается с измерительного элемента – делителя напряжения на резисторах R17–R18 и поступает на базу V1 дифференциально УПТ V1–V2. Потенциал базы V2 фиксирован параметрическим стабилизатором R11, V18. Транзистор V16 с нагрузкой R10, R9, V17 выполняет функции эмиттерного повторителя. Усиленный УПТ сигнал ошибки поступает на эмиттерный повторитель V5–V6 и далее на триггер Шмита V11–V12. Триггер Шмита обладает релейной характеристикой с двумя порогами срабатывания. Триггер непосредственно преобразует сигнал ошибки из непрерывной формы в периодическую последовательность импульсов. Транзистором V13 импульсы усиливаются и через транзисторы V14, V15 поступают на базу ключа V19. Постоянный ток коллектора ключа приобретает импульсный характер, поэтому на выходе ключа поставлен сглаживающий фильтр с обратным вентилем V21. Резистором делителя напряжения «Рег.» устанавливается номинальное выходное напряжение стабилизатора. Переключателем П коммутируется нагрузка Rн.

Рис. 4. Принципиальные схемы стабилизаторов параметрического (а), компенсационного стабилизатора непрерывного режима (б)

Напряжение на входе стабилизаторов контролируется вольтметром ВК7-9, на выходе – цифровым вольтметром ВК7-10. Питание силовой цепи стабилизаторов осуществляется от стабилизированного источника Б5-9. Меры по технике безопасности Необходимо следить за наличием заземления сетевых приборов. 17

Рис. 5. Принципиальная схема стабилизатора ключевого режима

IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ А. Исследование параметрического стабилизатора 1. Экспериментальное определение коэффициента стабилизации при нестабильном напряжении на входе и сравнение с расчетным. Рассчитать коэффициент стабилизации при нестабильном напряжении на входе для трех значений сопротивлений балластного резистора Rб по следующей формуле: К ст (U ) = ( rs / rд )

(rд + R ) Rб + rд Rн ( rs + Rн ) Rб + rs Rн ,

(4) где rs – статическое сопротивление стабилитрона, Ом; rd – динамическое сопротивление стабилитрона, Ом; Rб – сопротивление балластного резистора, Ом; Rн – сопротивление нагрузки, Ом. Данные для расчета: rs=0,5 кОм, rd=0,005 кОм, Rн=0,3 кОм, А= rs/ rd=100, С=rd + Rн=0,305 кОм, В= rd Rн=0,0015 кОм2. Е= rs + Rн=0,8 кОм, D= rsRн= =0,15 кОм2. Ввести последовательно величины балластного резистора Rб=0,27 кОм и 0,35 кОм, получить на МК соответствующие величины коэффициента стабилизации и построить график K ст (U ) = f ( Rб ) . Экспериментально определить коэффициенты стабилизации для двух значений балластного резистора Rб. Включить на вход стабилизатора вольтметр ВК7-9, на выход – цифровой вольтметр ВК7-10. Переключатель П поставить в положение П–1. Включить питание и установить номинальное входное напряжение Uвх н=15 В. Измерить номинальное выходное напряжение Uвых н. Для имитации нестабильности входного напряжения установить Uвх=18 В, т. е. устанавливаем нестабильность входного напряжения ΔUвх=3 В. Измерить при этом выходное напряжение и определить его приращение ΔUвых. По формуле (1) рассчитать коэффициент стабилизации. Переключатель П поставить в положение П–2 и повторить операции. 18

Б. Исследование компенсационного стабилизатора непрерывного режима на дискретных элементах 1. Определение коэффициента стабилизации при нестабильном напряжении на входе. Рассчитать коэффициент стабилизации по следующей формуле: K ст (U ) = αK упт (U вых н / U вх н ) ,

(5) где α – коэффициент передачи делителя (датчика) напряжения; Купт – коэффициент усиления УПТ по напряжению; Uвых н – номинальное выходное напряжение; Uвх н – номинальное входное напряжение. При α=0,4, Купт=1000, Uвых н=9,5 В, Uвх н=12 В по формуле (5) рассчитать коэффициент стабилизации. Экспериментально определить коэффициент стабилизации при нестабильном напряжении на входе. Собрать схему стабилизатора в соответствии с рис. 4, б. Входное напряжение устанавливается по вольтметру ВК7-9, выходное контролируется цифровым вольтметром ВК7-10. Включить амперметр. Подключить через разъем источник питания УПТ, а силовую цепь подключить к источнику Б5-9. Установить переключатели в положения: П1–1, П2–3. Установить напряжение питания УПТ Uдоп=15 В, номинальное входное напряжение силовой цепи Uвх н=12 В. Ручкой «Рег.» установить номинальное выходное напряжение Uвых н=9,5 В. Для имитации нестабильности входного напряжения установить Uвх=15 В, т. е. задаем нестабильность входного напряжения ΔUвх=+3 В. Измерить при этом выходное напряжение и определить величину его нестабильности ΔUвых. По формуле (1) рассчитать коэффициент стабилизации при нестабильном напряжении на входе. 2. Экспериментальное определение коэффициента стабилизации при нестабильной нагрузке. Установить переключатель П2–3, номинальное входное напряжение Uвх н=12 В, номинальное выходное напряжение Uвых н=9,5 В. Для имитации нестабильности нагрузки поставить переключатель П2–2 и измерить выходное напряжение. Вычислить приращение выходного напряжения ΔUвых. За номинальную нагрузку принять Rн ном=100 Ом, измененная нагрузка Rн=50 Ом, т. е. ΔRн=50 Ом. По формуле (2) рассчитать коэффициент стабилизации при нестабильной нагрузке. 3. Экспериментальное определение коэффициента стабилизации при нестабильном источнике эталонного напряжения. Установить переключатель П2–3. Цифровым вольтметром измерить номинальное напряжение на стабилитроне V4 при номинальных напряжениях на входе стабилизатора Uвх н=12 В и выходе Uвых н=9,5 В. Для имитации нестабильности источника эталонного напряжения поставить переключатель П1–2. Измерить при этом напряжения на стабилитроне и на выходе стабилизатора. Вычислить приращения напряжения эталонного источника ΔUэт и выходного напряжения ΔUвых и по формуле (3) рассчитать

19

коэффициент стабилизации при нестабильном источнике эталонного напряжения. 4. Экспериментальное определение внешней характеристики. Установить переключатели П1–1, П2–3. Изменяя нагрузку, фиксировать соответствующие значения тока и напряжения в нагрузке (режим холостого хода исключить). 5. Экспериментальное определение коэффициента полезного действия. Установить переключатель П2–3, номинальное входное напряжение Uвх н = =12 В, номинальное выходное напряжение Uвых н=9,5 В. Рассчитать КПД. Повторить расчет для входного напряжения Uвх=15 В. В. Исследование компенсационного стабилизатора ключевого режима на интегральной схеме 1. Снять зависимость частоты коммутации преобразователя от напряжения на входе стабилизатора. Собрать макет ключевого стабилизатора. Включить на вход стабилизатора вольтметр ВК7-9, на выход – цифровой вольтметр ВК7-10. Установить переключатель П–1. Установить входное номинальное напряжение Uвх н=12 В; ручкой «Рег.» установить выходное номинальное напряжение Uвых н=10 В. По осциллографу измерить период повторения импульсной последовательности, так как на выходе преобразователя в номинальном режиме. Повторить измерения для других значений входного напряжения: Uвх=15 и 20 В. 2. Снять зависимость частоты коммутации преобразователя от нагрузки стабилизатора. Установить номинальное входное напряжение Uвх н=12 В и номинальное выходное напряжение Uвых н=10 В. Для двух значений сопротивления нагрузки измерить соответствующие периоды повторения импульсной последовательности на выходе преобразователя. 3. Экспериментальное определение коэффициента полезного действия стабилизатора. При номинальном входном напряжении Uвх н=12 В ручкой «Рег.» установить максимально возможное напряжение на выходе стабилизатора, при котором не нарушается режим стабилизации. Рассчитать КПД.

20

V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Привести принципиальные схемы параметрического стабилизатора, компенсационного стабилизатора непрерывного режима и компенсационного стабилизатора ключевого режима (принципиальную схему преобразователя на интегральной микросхеме 142ЕР1 можно не приводить, ограничившись упрощенным ее представлением). Привести метрологические характеристики методов и средств измерения, изложенных в приложении. А.1. Привести расчетные и экспериментальные данные коэффициента стабилизации для двух значений балластного резистора. Привести программу вычислений на МК-56. Б.1. Привести расчетные и экспериментальные данные коэффициента стабилизации при нестабильном напряжении на входе стабилизатора. Б.2, Б.3. Привести экспериментальные данные коэффициентов стабилизации при нестабильной нагрузке и нестабильном эталонном источнике. Сделать выводы о возможностях стабилизатора отрабатывать возмущения от сети, нагрузки и эталонного источника. Б.4. Привести внешнюю характеристику стабилизатора U вых = f ( I вых ) . Из внешней характеристики определить выходное сопротивление стабилизатора Rвых = −ΔU вых / ΔI вых .

Б.5. Привести данные о КПД стабилизатора непрерывного режима. Сделать вывод о влиянии на КПД величины входного напряжения. В.1. Пересчитать периоды повторения в частоты коммутации и привести график зависимости частоты коммутации преобразователя от входного напряжения Fк = 1 / Т к = f (U вх ) .

В.2. Пересчитать периоды повторения в частоты коммутации и привести график зависимости частоты коммутации преобразователя от сопротивления нагрузки Fк = 1 / Т к = f ( Rн ) .

В.3. Привести данные измерений КПД ключевого стабилизатора и сравнить их с данными стабилизатора непрерывного режима. Литература: [1], c. 154–174; [2], c. 177–204.

21

СОДЕРЖАНИЕ

Общие указания………………………………………………………..3 Мероприятия по безопасности жизнедеятельности………………… при проведении лабораторных работ………………………………...3 Библиографический список…………………………………………..3 Работа 1. Исследование выпрямителей……………………………... 4 Работа 2. Исследование сглаживающих фильтров………………… 9 Работа 3. Исследование стабилизаторов постоянного напряжения…………………………………. 13

Редактор М.Ю. Комарова Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 __________________________________________________________________ Подписано в печать Б. кн.-журн. П.л. 1,25. Тираж 100 экз.

Формат 60×84 1/16 Б.л. 0,625. РТП РИО СЗТУ Заказ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации университетов России

191186, Санкт-Петербург, Миллионная ул., 5 __________________________________________________________________

22