Лабораторная_работа_источник_питания

Лабораторная_работа_источник_питания

Цель работы.

Исследование характеристик и параметров выпрямительных схем и стабилизаторов напряжения.

Теоретическая часть.

Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянного тока. В большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменного напряжения сети с помощью вторичных источников питания, включающих выпрямитель сетевого напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения (рис. I).

В состав выпрямителя обычно входят: силовой трансформатор, предназначенный для получения необходимых величин переменного напряжения из напряжения сети, а также для гальванической раз­вязки с сетью; вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока, и емкостная нагрузка вентильной группы, представляющая собой конденсатор относительно большой емкости, который можно также рассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения.

Если к выходному напряжению предъявляются высокие требова­ния по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питания вводится стабилизатор напряжения.

На рис. 2а представлена схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым выпрямительным диодом V1. Как известно, вольт-амперная хар-ка (ВАХ) выпрямительного диода имеет вид, представленный на рис. 3. Для упрощения практических расчетов ее часто представляют на основе кусочно-линейной аппроксимации двумя участками прямых AB и BC, причем AB идет по оси абсцисс, а наклон BC определяется средним, прямым сопротивлением диода

С целью дальнейшего упрощения иногда принимают Uдн=0 и тогда точка B смещается в начало координат. Как следует из такой аппроксимации ВАХ, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, его внутреннее сопротивление на участке ВА стремится к бесконечности, а на участке ВС сравнительно мало.

Рис 4. Временные диаграммы, отражающие работу однополупериодного выпрямителя.

На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t2-t1, соответствующему изменению фазового угла wt2 — wt1, диод открыт и через него протекает токи нагрузки и заряда конденсатора С. Постоянная времени заряда tзар=С(Rн||Rпот), где сопротивление потерь Rпот=Rпр. ср+Rтр (Rтр — активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда Rпот >Rпр+Rн, постоянная времени разряда tразр»Rн и tзар 2U2m.

Фазовый угол, в течение которого диод открыт обозначается 2q =wt2-wt1, где q — угол отсечки. Чем меньше q, тем больше U и меньше пульсация. Поэтому q нежелательно уменьшать.

В установившемся режиме площади под кривыми тока заряда конденсатора Iсз и тока заряда Iср одинаковы. Основными расчетными параметрами выпрямителя являются функциями коэф-та А(q)= tgq-q=pRпот/(mRн), где m=1 для однополупериод. и m=2 для двухлолупериод. выпpямителeй. С помощью этого пар-ра определяют необходимые значения:

Im-макс-го импульса тока через диод;

I2 — действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора;

Е2 — действующего значения ЭДС вторичной обмотки.

С помощью коэф. А(q) при расчетах определяют и коэффициент пульсации, равный отношению амплитуды напряжения первой гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U:.

Выходное сопротивление , где ∆U и ∆I находят по нагрузочной характеристике источника U0=f(I0); U и I –напряжение и ток нагрузки.

На рис. 2 б приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диоды V2 и V3 (пунктирные стрелки), в другом — через диоды V1 и V4. Частота пульсации выпрямленного тока выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в два раза сравнению с однополупериодной схемой, поэтому необходимо обеспечить Uобр. макс>U2m. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в противоположных направлениях.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителем и нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе

Например, простой LC-фильтр, представляющий собой последовательно с нагрузкой включенный дроссель и параллельно с нагрузкой включенный конденсатор, существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора — к бесконечности, для переменной — наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически без изменений, а переменная существенно уменьшается.

Читайте также:  Сумеречное_реле_схема_подключения

Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить Кп, Rвых. а также зависимость U от колебаний напряжения в сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оценивается коэф. стабилизации при пост. токе нагрузки

где ∆Uвых — приращение U при изменении Uвх на величину ∆Uвх; Uвх. ном, Uвых. ном — номинальные значения напряжений.

Простейшим электронным стабилизатором является параметрический стабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления Rб и стабилитрона. Он устанавливается в источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром, если таковой имеется. В этой схема используется свойство обратно смещенного стабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным при значительных изменениях протекающего через него тока (рис. 5 6, обратная ветвь ВАХ стабилитрона в области Uст). При отклонении Uвх от номинального значения почти все приращение входного напряжения падает на Rб, а выходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузка I2(Uвх=const) происходит перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется Iст) почти без изменения общего тока I1 . Следовательно, напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле

где rд — динамическое сопротивление стабилитрона.

Выходное сопротивление стабилизатора , так как rд

Цель работы: изучение принципа работы и основных характеристик неуправляемых одно- и двухполупериодных выпрямителей.

Краткие теоретические сведения

Для питания большинства электронных устройств требуется постоянное напряжение, а первичным источником является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. В этих случаях прибегают к выпрямлению переменного напряжения с помощью устройств, называемых выпрямителями.

На рис. 1 представлена функциональная схема однофазного источника питания. Основой его является выпрямитель В, выполненный на одном или нескольких диодах, соединенных по одно- или двухполупериодным схемам. Схема также включает трансформатор Тр, согласующий напряжение сетиUСс напряжениемU2на входе выпрямителя; сглаживающий фильтр Ф для сглаживания пульсаций выпрямленного напряженияUd; стабилизатор Ст, обеспечивающий поддержание требуемой величины постоянного напряженияUdНна нагрузочном устройствеRНв условиях изменения напряжения сети и тока вRН.

Работа выпрямителя характеризуется:

средним значением выпрямленного напряжения Udи токаId(в нагрузке);

максимальным обратным напряжением Um ОБР;

коэффициентом пульсации Pи частотойfnпульсаций выпрямленного напряжения;

внешней характеристикой выпрямителя Ud =F(Id).

Выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя пульсирует. Его можно представить в виде суммы постоянной и переменной составляющих. Постоянную составляющую напряжения (тока) называют средним значением Ud(Id).

Существуют однополупериодная и двухполупериодная однофазные схемы выпрямления. Однополупериодная схема выпрямления показана на рис. 2а, а временные диаграммы тока iНи напряженияuНна нагрузочном устройствеRН– на рис. 2б.

Рассмотрим работу схемы, считая диод Д идеальным; это означает, что его обратное сопротивление равно бесконечности, а прямое – нулю.

Ток iНв нагрузочном резистореRНпоявляется только в те полупериоды напряженияu2, когда потенциал точки «a» вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки «b», т.к. в этом режиме диод Д открыт. В этом случае напряжение на диоде практически равно нулю, а на нагрузочном резистореuН=u2. В отрицательный полупериодu2к диоду приложено обратное напряжениеu2 ОБР, ток через него не протекает, а напряжение на нагрузочном резисторе равно нулю. Таким образом, при однополупериодном выпрямлении ток через нагрузочный резисторRНпротекает только в течение одного полупериода напряженияu2и имеет пульсирующий характер.

Наибольшее обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

Большая величина пульсаций, намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока – все эти недостатки ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления.

Двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 3а, а временные диаграммы напряжения uНи токаiНв нагрузочном резистореRН– на рис. 3б.

Два диода, Д1и Д2, присоединены анодами к концам вторичной обмотке трансформатора «a» и «b», а нагрузочный резисторRНвключается между общей точкой катодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора. В первый полупериод, когда «a» имеет положительный потенциал относительно средней точки «о», а «b» – отрицательный токi’2протекает от «a» через Д1и нагрузочный резисторRНк точке «о». К диоду Д2в это время приложено обратное напряжениеu2 ОБР. В следующий полупериод «b» имеет положительный, а «a» – отрицательный потенциал относительно точки «о», и ток протекает от «b» через Д2и нагрузочный резисторRНк точке «о», а к диоду Д1приложено обратное напряжениеu2 ОБР. Таким образом, ток через нагрузочный резистор в течение всего периода переменного напряженияu2протекает в одном направлении.

Читайте также:  Как_пользоваться_теркой_для_штукатурки

Среднее значение выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы в 2 раза превышает соответствующее напряжение для однополупериодной схемы выпрямления, а ток через диоды вдвое меньше, чем в однополупериодной схеме. Однако, обратное напряжениеu2 ОБРна закрытых диодах при одинаковых значениях напряженияu2=u2‘ =u2» в два раза превышает величину обратного напряжения однополупериодного выпрямителя. Величина пульсаций меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. Недостатками ее являются необходимость использовать трансформатор с выводом средней точки его вторичной обмотки, большая величина обратного напряжения на диодах.

Широкое применение нашла двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 4а). В этой схеме нагрузочное устройство включено в диагональ моста, составленного из диодов Д1– Д4.

Когда точка «a» имеет положительный потенциал относительно «b», токi2проходит через диод Д1, нагрузочный резисторRНи диод Д3. К диодам Д2 и Д4приложено обратное напряжениеu2 ОБР. В следующий полупериод, когда «a» имеет отрицательный потенциал относительно «b», токi2« проходит от обмотки трансформатора через диод Д2, нагрузочный резисторRНи диод Д4. К диодам Д1и Д3в это время приложено обратное напряжениеu2 ОБР.

Таким образом, ток через RНв течение периода напряженияu2также протекает в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме в 2 раза превышает среднее выпрямленное напряжение для однополупериодного выпрямителя.

Временные диаграммы токов и напряжение для двухполупериодного мостового выпрямителя представлены на рис. 4б. Обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в схеме выпрямителя с выводом средней точки трансформатора: U2m ОБР=Ud/ 2, а величина пульсаций та же.

Сглаживающий фильтрпредназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Включается сглаживающий фильтр между выпрямителем и нагрузочным устройствомRН.

В качестве элементов сглаживающих фильтров применяются индуктивные катушки и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. У индуктивных катушек сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току увеличивается с ростом частоты. У конденсаторов сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты.

Если требуется получить высокий коэффициент сглаживания, то используют сложные сглаживающие фильтры, состоящие из R , LиCэлементов.

На рис. 5 представлены два типа применяемых фильтров: а) емкостной; б) П-образный CLC-фильтр; гдеu3— напряжение на выходе выпрямителя без фильтра.

Принцип сглаживания пульсаций с помощью емкостного фильтра заключается в том, что конденсатор Сфнакапливает электрическую энергию, заряжаясь при нарастании напряженияu3, и отдаёт её, разряжаясь через цепь нагрузочного устройства, при его уменьшении (рис. 6а). При этом важно, чтобы время разряда конденсатораCфбыло значительно больше периода Т изменения напряженияu3. Последнее выполняется тем лучше, чем постоян­ная времени разряда конденсатора τразр=RнCфбольше пе­риода Т изменения напряженияu3. Емкостные фильтры нашли широкое применение в маломощных источниках питания, когда соп­ротивлениеRннагрузочного устройства велико.

Принцип сглаживания с помощью индуктивности состоит в том, что в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изме­нениям тока в цепи. Таким образом, представляя большое сопро­тивление для переменного тока, индуктивный элемент уменьшает переменную составляющую тока в нагрузочном устройстве.

На рис. 6 показаны осциллограммы напряжений на активном сопротивлении нагрузочного устройства двухполупериодного вып­рямителя при включённом емкостном (рис. 6а) и CLC-фильтрах (рис. 6б).

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависи­мость среднего значении выпрямленного напряженияUdот сред­него значения потребляемого токаIdв нагрузочном устройстве.

Поскольку реальные трансформаторы, диоды и индуктивности име­ют конечные величины внутренних сопротивлений, то с увеличе­нием потребляемого токаIdнапряжение на выходе выпрямителя уменьшается за счёт потерь напряжения в схеме. Наклон внешней характеристики зависит также и от типа фильтра (рис. 7). Вып­рямленное напряжение выпрямителя с емкостным или П-образнымCLC-фильтрами в режиме холостого хода (Id= 0) равно амп­литудному значению выпрямляемого напряженияU3m, до которого заряжается ёмкость фильтра, а выпрямителя без фильтра – сред­нему значению этого напряжения. Однако, уменьшение выпрямлен­ного напряжения в выпрямителях с фильтрами происходит более резко, чем при отсутствии фильтра.

Читайте также:  Ручной_насос_низкого_давления

Это объясняется тем, что с уменьшением сопротивле­ния нагрузочного устрой­ства, вызывающим увеличе­ние потребляемого тока, уменьшается постоянная времени цепи разряда кон­денсатора фильтра и уве­личиваются потери напряжения на собственных активных сопротивлениях индуктивного элемента, что приводит к снижению напряжения на нагрузочном устройстве.

Страницы работы

Фрагмент текста работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Практикум по радиоэлектронике

Методические указания к лабораторной работе № 6

Практикум по радиоэлектронике предназначен для студентов 2 курса физического факультета НГУ. Данная лабораторная работа посвящена изучению линейных источников питания радиоэлектронной аппаратуры. В методическом пособии разъясняется принцип работы выпрямителя, фильтра, параметрического и компен­са­ционного стабилизатора, приводятся оценки влияния разных факторов на качество источника питания.

В задачу студента входит изучение работы электронных схем, макетиро­вание и наладка выпрямителя, параметрических и компенсацион-ных стабилизаторов, измерение параметров получившихся источников
питания.

Составитель Г. И. Кузин

Рецензент И. А. Запрягаев

Ответственная за выпуск О. А. Тенекеджи

Издание подготовлено в рамках выполнения инновационно-образовательной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классического университета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование».

Ó Новосибирский государственный
университет, 2009

1. Введение

Источник питания (ИП) – необходимая и ответственная часть любого электронного прибора. От параметров источника питания зависят характе­ристики всего устройства. Надежность работы и долговечность электронных схем в большой степени определяется качеством ИП. Например, допуск на питающее напряжение для микросхем ТТЛ обычно составляет ±5 %. Вы можете исследовать статические характеристики ИП и убедиться, что он вполне удовлетворяет этим требованиям, но его динамические параметры, например, выброс в момент включения или слишком медленное выключение могут приводить к частому выходу из строя микросхем. Непродуманная схема ИП, неудачная конструкция делают его опасным не только для электронной схемы, для питания которой он предназначен, но и для человека. Если не принять специальных мер, то источник питания (импульсный) излучает в окружающее пространство помехи, мешающие приему радио и телепередач.

По принципу работы источники питания делятся на линейные и импульсные. Линейные ИП обладают малым к.п.д. (30¸50 %), за счет силового трансформатора и радиаторов регулирующих транзисторов имеют большие габариты и вес, но проще в реализации и наладке, не дают высокочастотных наводок и пульсаций. Импульсные ИП имеют к.п.д. 70¸95 %, малые габариты и вес. Несмотря на то, что импульсные ИП устроены сложнее линейных, благодаря своей экономичности и компактности они все больше вытесняют последние.

Линейные источники питания обычно состоят из трансформатора, который понижает переменное напряжение до необходи­мой величины, выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема линейного источника питания

2. Трансформатор

Трансформатор применяется для преобразования одного напряжения в другое, одновременно обеспечивая гальваническую развязку между сетью и прибором. Трансформатор состоит из двух или нескольких индуктивно связанных обмоток, надетых на общий сердечник (рис. 2).

Сердечник является магнитопроводом, по которому магнитный поток Ф, возбуждаемый током одной обмотки, пронизывает витки второй обмотки, на концах которой возбуждается э.д.с. U2. Напряжения и токи в обмотках связаны соотношениями

где W1 – число витков в первичной обмотке, W2 – во вторичной.

Рис. 2. Схематичный вид трансформатора

В общем случае расчет сило­вого трансформатора довольно сложен и зависит от многих параметров. На практике для выбора габаритов тран­сфор­ма­тора мощностью (20¸200 Вт) с сердечником из транс­фор­ма­тор­ной стали и обмотка­ми из мед­ного про­вода можно пользо­вать­ся полу­эм­пи­риче­с­кой формулой P = k×Sок×Sст , где P – мощ­ность трансформа­тора [Вт], Sок – площадь окна для обмоток в см 2 , Sст – поперечная площадь магнитопровода в см 2 , k » 1,2 Вт/см 4 .

3. Выпрямители

Для преобразования переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора в постоянное служит выпрямитель. В простейшем случае выпрямителем является диод, к которому подключается нагрузка (рис. 3).

Рис. 3. Однополупериодный выпрямитель

Для того чтобы сгладить пульсации напряжения на нагрузке, парал­лельно ей подключают конденсатор, служащий фильтром пульсаций (рис. 4).

Ссылка на основную публикацию
Кусочки_свинины_с_овощами_на_сковороде
Тушеная свинина с овощами — вкусное, сытное и довольно простое блюдо для семейного обеда или ужина. В моей семье такое...
Куда_вешать_новогодний_венок
Свечи на венке зажигают в предпраздничную пору, именуемую днями предрождественских адвентов. Если обратиться к происхождению этого слова, то adventus (лат....
Куда_девать_рассол_от_квашеной_капусты
Просмотров33249 Статьи по продуктам → Рассол квашеной белокочанной капусты 1. Тёплый рассол квашеной белокочанной капусты в народной медицине применяется для...
Куст_с_желтыми_цветами_название_фото
Среди популярных растений различают виды декоративных лиственных кустарников для сада, которые имеют декоративные листья и красиво цветут. Выбирая садовые кусты,...
Adblock detector