Дослідження імпульсного стабілізатора напруги

1. Ціль роботи:

Вивчення схемної побудови імпульсного стабілізатора напруги (ІСН). Експериментальне визначення основних параметрів ІСН.

2. Застосовувані прилади й устаткування

2.1. Вимірювальний осцилограф.

2.2. Стенд для дослідження ІСН

3. Загальні зведення.

Найбільш дійсне і широко застосовуваний засіб розвантаження тр – це імпульсний стабілізатор напруги ІСН (струму) вторинного електроживлення називається стабілізатором. Регулюючий елемент, що працює в імпульсному (ключовому) режимі.

До основних параметрів стабілізатора відносяться:

- коефіцієнт стабілізації (чи коефіцієнт нестабільності);

- інерційність тракту регулювання і вихідного опору;

- коефіцієнт згладжування пульсації;

- температурний коефіцієнт напруги (струму);

- коефіцієнт корисної дії.

Основним достоїнством ключового режиму роботи регулюючого елемента (вузла), що виконується на транзисторах, тиристорах, магнітних підсилювачах (дроселях - насичення) є номінальна втрата потужності в силовому ланцюзі, що дозволяє забезпечити ККД, приділяючи малогабаритні показники стабілізатора й імпульси вторинного електроживлення (ІВЕП) у цілому.

Принцип дії ІСН полягає в тому, що джерело вхідного нестабілізованої напруги Uвх регулярно підключається до споживача і відключається від нього. Система керування (СК) регулюючим елементом (РЕ) ІСН функціонує таким чином, що при впливі дестабілізуючих факторів на ІВЕП середнє значення вихідного підтримується на заданому рівні з обумовленою нестабільністю.

Стабілізація вихідної напруги в ІСН забезпечується в наслідку вимірі співвідношення між часом замкнутого і розімкнутого стану РЕ (ключа).

У силовому каскаді фільтр нагромаджувач, що згладжує, енергії СФН, призначений для згладжування пульсації й забезпечуючий постачання споживача електроенергією в плині інтервалів розімкнутого стану регулюючого пристрою. У системі керування – елемент перетворення сигналу (ЕПС), забезпечує формування сигналів керування Uу необхідної шпаруватості, тобто перетворюючий безупинний сигнал разсоглосовування (помилки) у дискретний сигнал керування. У залежності від того, яким способом досягається виміру шпаруватості, розрізняють, що випливають види імпульсного регулювання.

Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), при якій змінюється час замкнутого чи розімкнутого стану РЕ при незміненому періоді проходження імпульсів.

Частотно-імпульсна модуляція (ЧІМ), при якій змінюється частота роботи РЕ.

ШІМ регулювання буває першого і другого роду. Режим ЧІМ у ІСН застосовується рідко в зв'язку зі зміною частоти напруги на вході ІСН. Це утрудняє раціональний вибір параметрів реактивних елементів (СФН), тому що необхідно орієнтуватися на найнижчу частоту, що приводить до збільшення значень L і С. Цей недолік (вимір частоти) властивих і двухпорционому (релейному) режиму.

Однак він знайшов застосування в зв'язку з відносно простої реалізації.

Таким чином, ІСН із ШІМ і релейним регулюванням мають наступні особливості.

У ІСН із ШІМ частота переключення РЕ постійна. В інших ІСН залежить від зміни Ін і Uвх.

Пульсація вихідної напруги в ІСН із ШІМ і ЧІМ принципово можуть не бути присутнім, тому що сигнал керування формується по відхиленню середнього значення напруги від еталонного.

При релейному регулюванні вихідної напруги завжди містить пульсацію.

Релейний ІСН володіє підвищеним у порівнянні з ЧІМ і ШІМ, ІСН швидкодією при стрибкоподібній зміні дестабілізуючих факторів, і визначенням параметрів вихідних фільтрів, що згладжують. Коефіцієнт стабілізації ІСН складає кілька десятків, сотень ….... забезпечує високі енергетичні (ККД до 90..98%) і питомі масогабаритні (понад 40..50) показники.

Істотним недоліком стабілізації імпульсного типу є чи енергія високочастотні електромагнітні перешкоди, що поширюються по проводах у живильну мережу і до споживача, а також у просторі (перешкоди випромінювання).

Основними параметрами стабілізаторів напруги є: коефіцієнт стабілізації, визначення як відношення відносного збільшення напруги на вході стабілізатора до відношення збільшення на виході при постійному навантаженні:

Для визначення коефіцієнта стабілізації надходять у такий спосіб. Знаючи номінальне , максимальне і мінімальне значення вхідної напруги, визначається по кривої , малюнок 1, і знаходимо відповідні значення , , , охоплюючи в такий спосіб весь діапазон стабілізації.

Рисунок 1. Визначення коефіцієнта стабілізації.

Коефіцієнт стабілізації – це величина зворотна коефіцієнту стабілізації. Вихідний опір дорівнює відношенню збільшення напруги на вході стабілізатора до збільшення струму навантаження

Якщо інерційність стабілізатора не виявляється, але виявляється по частоті пульсації вхідної напруги, то стабілізатор напруги буде фільтром, що згладжує. Коефіцієнт згладжування пульсації дорівнює:

ККД стабілізатора визначається з вираження

Принципова електрична схема досліджуваного стенда представлена на рисунку 2.

У схемі збирається силовий стабілізатор каналу «+SV», він містить прохідний силовий транзистор VT1, працює в ключовому режимі, і транзистор, що розганяє, VT2. LC – фільтр, утворить накопичувальний дросель L2 і високочастотний дросель L3 і конденсатори С2 і С3. Через діоди VD2, VD1 протікає струм накопичувального дроселя, коли прохідний транзистор VT1 закритий, а якщо прохідний транзистор VT1 відкритий, тоді збільшується струм через накопичувальний дросель, що викликає збільшення напруги на навантаженні. При збільшенні напруги на навантаженні понад «6 В» прохідний транзистор VT1 защіпається. Аналогічно працює силовий стабілізатор каналу «+12 В».

Також у схемі представлена схема захисту по струму, по напрузі.

Структурна схема представлена на рисунку 3. Вона складається з:

- трансформатора

- випрямувача

- фільтра

- з 2-х імпульсних стабілізаторів напруг

- з 2-х захисних перевантажень і короткого замикання

- з 2-х захисних перевантажень вихідної напруги

- з 2-х електронних вольтметрів

- амперметра

- з 2-х навантажень

4. Література і посібники

4.1. Артомонов Б. И., Богуняев А. А. «Источники электропитания радиоустройств» - М.: Энергоиздат, 1962, с. 145-171.

4.2. Векслер Г. С., Лилинский В. В. «Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры» - К.: Вища школа, 1986, с. 231-286.

5. Контрольні питання

5.1. Поясніть принцип роботи ІСН і взаємодія його основних вузлів

5.2. Що таке коефіцієнт стабілізації і як його визначити теоретично й експериментально?

5.3. Як залежить вихідний опір стабілізаторів від коефіцієнта розподілу вихідного дільника напруги?

5.4. Перелічіть можливі способи збільшення коефіцієнта стабілізації.

5.5. Що такий внутрішній опір стабілізатора, від чого воно залежить і як його експериментально визначити?

5.6. У чому перевага ІСН у порівнянні зі стабілізаторами дискретними елементами?

5.7. Для чого в стабілізаторах використовуються складені транзистори?

6. Порядок виконання роботи

6.1. Підготовка до виконання роботи

6.1.1. Ознайомлення з принциповою і структурною схемою досліджуваного стенда і з загальними зведеннями.

6.1.2. Уключити тумблер у мережу і харчування індикаторних приладів.

6.1.3. Підключити автотрансформатор і за допомогою його установити по вольтметрі PV1 напруга рівне 220 В, при цьому повинні зайняти 2-і індикаторні лампочки. Перемикач SA2 повинний знаходитися в середнім положенні. Перемикач меж вимірів «амперметр» повинний знаходитися в положенні 1А, і дати можливість прогрітися лабораторному стенду в плині 5 хвилин.

6.1.4. Включити осцилограф і користаючись окремою інструкцією настроїти його.

6.2. Дослідження імпульсного стабілізатора напруги.

6.2.1. Зняття амплітудної характеристики і визначення коефіцієнта стабілізації

6.2.1.1. Перемикач SA2 установити в положення «+5 В»

6.2.1.2. Установити за допомогою резистора R10 по приладу амперметр значень 0,8 А.

6.2.1.3. Виміривши вхідну напругу в межах =110 В до =250 В. Зняти показання вихідної напруги. Дані занести в таблицю 1. Розрахувати реальне значення коефіцієнта стабілізації по формулі

6.2.1.4. Перемикач SA2 поставити в нейтральне положення і тумблер переключення виміру показання поставити 0,1 А.

6.2.1.5. Перемикач SA2 установити в положення 12 В. За допомогою резистора R12 (положення ручки резистора R12 у крайнім правому положенні). Обертаючи ручку уліво встановлюємо по приладу 0,09 А.

6.2.1.6. Виконуючи далі по пункті 6.1.2.3.

6.2.1.7. Виконати усі виміри, перемикач SA2 поставити в нейтральне положення. Тумблер межі виміру «амперметр» установити в положення 1 А.

6.2.2. Зняття навантажувальної характеристики і визначення коефіцієнта стабілізації

6.2.2.1. На вході установити напруга 220 В.

6.2.2.2. Перемикач SA2 установити в положення 9 В.

6.2.2.3. Виміривши величину струму за допомогою резистора R10 у межах від 0,2..1 А, і записати в таблицю 2. Розрахувати коефіцієнт стабілізації

6.2.2.4. Перемикач SA2 поставити в нейтральне положення резистора R12, установити у вкрай правому положенні.

6.2.2.5. Обертаючи резистор R12 установити по приладу амперметра значення струму в межах від 0,01..0,04 А. Запишемо показання приладу PV2 у таблицю 2 і вважаємо коефіцієнт стабілізації

6.2.3. Зняття перемінних діаграм ІСН.

6.2.3.1. Підключити осцилограф до рознімань XS4, XS9, XS12 () і до рознімань XS5, XS6, XS8, XS11. Знімаємо тимчасові діаграми по осцилографу.