Исследование автокомпенсационного стабилизатора напряжения с импульсным регулированием

Цель работы: изучение принципов работы и исследование характеристик автокомпенсационного стабилизатора постоянного напряжения с импульсным режимом регулирования.

Методические указания по подготовке к работе

Принцип действия автокомпенсационного стабилизатора постоянного напряжения с импульсным регулированием (импульсного стабилизатора) основан на использовании ключевого режима работы регулирующих транзисторов. Энергия от источника в этом случае потребляется прерывисто с определенной частотой и в течение временного интервала, определяемого длительностью отпирающего ключевой каскад импульса. Регулируя длительность импульсов, обеспечивают ту или иную величину потребления энергии нагрузкой за счет поддержания стабильным среднего значения выпрямленного напряжения.

Структурная схема изучаемого в работе импульсного стабилизатора представлена на рис. 5.1. Напряжение с выхода сетевого выпрямителя через сглаживающий фильтр поступает на вход ключевого каскада, на другой вход которого подается отпирающий импульс. При подаче отпирающих импульсов через ключевой каскад протекают импульсы тока, создающие во вторичной обмотке трансформатора импульсное напряжение с частотой, определяемой задающим генератором. Длительность импульсов регулируется автоматически с помощью петли обратной связи. Импульсное выходное напряжение сравнивается с эталонным в интеграторе, вырабатывающем пилообразное напряжение, скорость нарастания которого пропорциональна разности амплитуды импульсов и эталонного напряжения. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) запускается импульсами задающего генератора с частотой (15…25) кГц, а сбрасывается импульсами, получаемыми в результате сравнения пилообразного напряжения интегратора и опорного напряжения. Таким образом, длительность импульсов ШИМ определяется крутизной пилы, причем, чем выше ее крутизна, тем короче импульсы. Сокращение длительности отпирающих импульсов приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного выходного напряжения, а увеличение – к возрастанию. Выходной сглаживающий фильтр подавляет гармонические составляющие выпрямленного тока. В составе схемы также имеется вспомогательный источник питания малой мощности для обеспечения работы ряда управляющих устройств (интегратора, модулятора и др.) и получения опорного напряжения.

Основным достоинством импульсных стабилизаторов является высокий КПД, обусловленный минимальными потерями мощности в регулирующих транзисторах, работающих в ключевом режиме. КПД поддерживается постоянно высоким при достаточно широких изменениях выходного напряжения стабилизатора. К недостаткам следует отнести существенную амплитуду пульсаций, что требует принятия специальных мер при проектировании радиоустройств.

Описание лабораторной установки

Принципиальная схема макета представлена на рис. 5.2. В схеме допущены отдельные упрощения при показе каскадов, изучение которых выходит за рамки данного курса. Силовая часть источника включает трансформатор Тр1, автотрансформатор Тр2, позволяющий регулировать входное напряжение U ₁, мостовой выпрямитель VD1 … VD4 и фильтр С2, С3, Др1. Ключевой каскад выполнен на транзисторах VТ3 и VТ4, нагруженных на импульсный трансформатор Тр4. Гирлянды резисторов и диодов в базовых цепях ключевых транзисторов служат для ограничения амплитуд отпирающих импульсов и базовых токов. Ко вторичной обмотке импульсного трансформатора Тр4 подключены однотактный выпрямитель на параллельно включенных вентилях VD18 … VD21 и П –образный сглаживающий фильтр С9, С10, Др2. Переключатель S1 позволяет изменять нагрузку стабилизатора. С помощью приборов РА1, РV1, РА2, РV2

измеряются токи и напряжения, действующие в схеме. На входы интегратора D1 подаются эталонное напряжение, формируемое стабилитроном VD 5 и делителем R2, R3, и выходное импульсное напряжение с вторичной обмотки Тр4. Усилитель VТ1, VT2 обеспечивает требуемую амплитуду и мощность отпирающих импульсов, сформированных широтно-импульсным модулятором.

Порядок выполнения работы

1.Изучить схему лабораторного макета, назначение измерительных приборов и органов управления.

2.Установить ток нагрузки с помощью переключателя S1 I _н=7,5 А, с помощью регулятора U ₁ напряжение 300 В. Подключая последовательно осциллограф к клеммам К1, К2, К3, К4, К5 и К6, снять осциллограммы напряжений в указанных точках схемы. Цифровой вольтметр подключить к клемме К7.

3.Исследовать зависимость режима работы стабилизатора от изменения напряжения на его входе. Для этого, последовательно устанавливая регулятором U ₁ входное напряжение 300 В, 280 В, 260 В, 240 В, 220 В, 200 В и 180 В, измерить значения I ₁ и U _н (с помощью цифрового вольтметра). Одновременно фиксировать длительность отпирающего импульса τ_шим, подключив осциллограф к клемме К4.

Результаты измерений свести в таблицу 1, при оформлении отчета по полученным данным произвести расчет следующих величин:

- мощность, потребляемую стабилизатором, Р ₁ =U ₁ I ₁;

- мощность в нагрузке Р _н =U _н I _н;

- КПД стабилизатора η =Р _н /Р ₁.

Таблица 1

Рассчитать коэффициент стабилизации

,

где ∆U ₁ = U ₁(1) - U ₁(7), ∆U _н = U _н(1)- U _н(7).

4.Исследовать зависимость режимов работы импульсного стабилизатора от тока нагрузки:

а) установить входное напряжение U ₁=300 В;

б) изменяя с помощью переключателя S1 сопротивление нагрузки R _н, измерить для каждого значения тока нагрузки входной ток I ₁, напряжение U _н, длительность импульса τ _шим (К4);

в) результаты измерений свести в таблицу 2, дополнив ее расчетными значениями Р ₁, Р _н, КПД.

Таблица 2

Рассчитать внутреннее сопротивление стабилизатора

,

где ∆U _н = U _н(1)- U _н(6); ∆I _н = I _н(1)- I _н(6).

Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1.Принципиальную схему лабораторного макета.

2.Результаты измерений и расчетов по табл. 1, 2.

3.Графики измеренных и рассчитанных величин как функций аргументов U ₁ (табл. 1) и I _н (табл. 2).

4.Краткие выводы по проведенным исследованиям.

Библиографический список

1. Электропитание устройств связи: Учебник для ВУЗов/Под ред. Ю.Д. Козлова. - М.: Радио и связь, 1998. С. 153 - 157.

2. Иванов-Цыганов А. И. Электропреобразовательные устройства РЭС. М.: Высшая школа, 1991. С. 189–207.

___________________