7 Содержание отчета
7.1 Принципиальная схема преобразователя (формат А4).
7.2 Электромонтажная схема преобразователя (формат А4).
7.3 Таблица соединений (формат А4).
7.4 Результаты измерений комплектующих.
7.5 Данные измерений (таблица) и рисунок карты сопротивлений
7.6 Данные измерений (таблица) и рисунок карты напряжений.
7.7 Напряжение на выходе преобразователя.
7.8 Временные диаграммы.
8 Контрольные вопросы
8.1 Почему Uэк транзисторов должно быть больше напряжения питания преобразователя?
8.2 Как происходит защита преобразователя от коротких замыканий в нагрузке?
8.3 Укажите назначение обмотки обратной связи WЗ
8.4 Укажите возможные причины отсутствия напряжения на выходе преобразователя в плавильной собранной схеме.
9 Методические указания
9.1 Анализ схем источников питания.
К современным источникам питания электронной аппаратуры кроме высоких техноэкономических показателей предъявляются следующие основные требования- бесперебойность и стабильность питающего напряжения. Упрощенная схема БИП (бесперебойный источник питания) приведена на рисунке 1.
Рисунок 1– Структурная схема БИП
При работе выпрямителя (1) осуществляется электропитание нагрузки RН (4) и непрерывный подзаряди аккумуляторной батареи GВ (2). При отключении переменного напряжения или повреждении выпрямителя нагрузка получает питание от аккумуляторной батареи, что обеспечивает бесперебойность питания нагрузки. Стабильность питающего напряжения определяется параметрами стабилизатора.
Так как для работы электронной аппаратуры требуется несколько номиналов напряжений, то рассмотренную схему БИП надо повторить по количеству номиналов напряжения. Такая схема электропитающей установки (ЭПУ) невыгодна, т.к. требует больших капитальных затрат на оборудование и сложна в эксплуатации.
Указанные недостатки устраняются в схеме БИП (рисунок 2) с использованием инвертора (преобразователя постоянного напряжения в переменное).
Рисунок 2 – Структурная схема БИП с инвертором
При наличия напряжения в сети переменного тока питание инвертора 3 осуществляется от выпрямителя (1). На время отключения напряжения в сети переменного тока питания осуществляется от аккумуляторной батареи GВ (2). В инверторе (3) происходит преобразование постоянного напряжения в переменное 220 В. Это напряжение поступает в блоки питания аппаратуры, содержащих выпрямители (4) и стабилизаторы (5) для каждого наминала напряжения.
9.2 Анализ схемы вибрационного преобразователя
Основные элементы преобразователя- это ключ S1, трансформатор Т1 (рисунок 3) и вольтметр PV с нулем в середине шкалы.
а) б)
Рисунок 3 – Одноактная схема преобразователя (а) и временные диаграммы тока (б).
При замыкании ключа S1 ток в первичной обмотке трансформатора будет возрастать (1 рисунок 3 б) и стрелка вольтметра отклонится влево. При протекании по первичной обмотке постоянного тока (2 рисунок 3 б) стрелка возвратится на 0. При размыкании ключа S1 (3 рисунок 3 б) стрелка отклонится вправо, а затем возвратится на 0.
Выводы:
1 Передача энергии из первичной обмотки во вторичную происходит в моменты замыкания ключа (нарастание тока) и размыкания ключа (убывание тока).
2 При протекании постоянного тока энергия из первичной обмотки во вторичную не передается.
3 Значение напряжения вторичной обмотки определяется коэффициентом трансформации трансформатора, частотой коммутации ключа S1 и значением напряжения СВ1.
4 К недостаткам рассмотренной схемы надо отнести подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током и смещение рабочей точки на петле гистерезиса в режим насыщения.
Подмагничивание сердечника устраняется в двухтактный схеме преобразователя (рисунок 4).
Рисунок 4 – Двухтактная схема преобразователя
Рассматриваемая на рисунке 4 схема отличается от одноактной наличием средней точки.
в первичной обмотке трансформатора и двух взаимосвязанных ключей (контактов на замыкание S1 и контактов размыкание S2 реле). При срабатывании реле контакты S1 замыкаются, а S2 размыкаются. При отпускании реле контакты S1 размыкаются, а контакты S2 замыкаются.
При замыкании контактов S1(S2) токи I1 и I2 протекают поочередно навстречу друг другу и устраняется подмагничивание сердечника.
Достоинство схемы − простота. Недостатки − малая надежность за счет подгорания контактов и создание помех.
С изобретением транзисторов вместо механических контактов были использованы электронные ключи (рисунок 5).
Рисунок 5 – Принципиальная схема двухтактного транзисторного преобразователя напряжения
Основными элементами преобразователя является трансформатор Т1, транзисторы VT1 и VT2, выпрямитель на диодах VD1…VD4 и сглаживающий фильтр. Трансформатор содержит первичную обмотку W1, вторичную обмотку W2 и обмотку обратной связи W3. Обмотки W1 и W3 имеют отводы от средних точек. Сердечник трансформатора выполняется из материала, имеющего петлю гистерезиса, близкую по форме к прямоугольной. Делитель напряжения Rд2 и Rд1 служит для подачи напряжения смещения на транзисторы VT1 и VT2 через среднюю точку обмотки W3. Конденсатор С1 предназначен для улучшения условий работы транзисторов в моменты их включения. Параметры схемы, выбранные таким образом, что режим насыщения сердечника трансформатора наступает раньше насыщения коллекторного тока транзисторов.
Усилитель становится генератором, если он охвачен петлей положительной обратной связи, в которой выполняется баланс фаз и баланс амплитуд. Рассматриваемая схема выполнена таким образом, что, например, при возрастании коллекторного тока Iк1 для транзистора VT1 создается положительная обратная связь, а для VT2 − отрицательная и наоборот. При убывании коллекторного тока IК1 для VT1 создается отрицательная обратная связь, а VT2 − положительная. Баланс амплитуд выполняется подбором витков обмотки обратной связи W3.
При включении питающего напряжения U0 из-за разброса параметров транзисторов через полуобмотки трансформатора W1-1 и W1-2 потечет различный коллекторный ток. Допустим, что IК1 больше IК2. Это приведет к тому, что в сердечнике трансформатора будет преобладать магнитный поток созданный Iк1 в полуобмотке W1-1. Благодаря этому ЭДС в обмотке обратной связи будет иметь полярность, указанную на схеме. На базе транзистора VT1 появится дополнительное отрицательное напряжение U0С (положительная обратная связь), а на базе VT2 − положительное напряжение U0С (отрицательная обратная связь). По мере увеличения коллекторного тока транзистора VT1, отрицательное напряжение на его базе увеличивается, что приведет к полному открытию транзистора VT1 и закрытию транзистора VT2. Процесс происходит лавинообразно. В процессе нарастания тока в транзисторе VT1 магнитный поток в сердечнике будет увеличиваться до его насыщения и скорость его изменения становится равной нулю. Поэтому ЭДС обратной связи падает до нуля.
Отрицательное напряжение на базе транзистора VT1 уменьшается, сопротивление перехода эмиттер-коллектор транзистора увеличивается, и коллекторный ток Ik1 начинает уменьшаться. Снижение коллекторного тока транзистора VT1 приводит к уменьшению магнитного потока в сердечнике трансформатора. Это приводит к изменению полярности ЭДС в обмотке обратной связи. Отрицательный потенциал на базе транзистора VT2 будет увеличиваться и он откроется, а транзистор VT1 закроется. Процесс переключения транзисторов носит периодический характер. В течении одного периода токи IК1 и IК2 поочередно протекают по полуобмотке трансформатора. Этим устраняется подмагничивание сердечника. Форма коллекторных токов IК1 и IК2 близка к прямоугольной. Значение напряжения во вторичной обмотке зависит от коэффициента трансформации, частоты переключения транзисторов и напряжения GB1.
При размыкании цепи с индуктивностью (закрывании транзисторов) возникает ЭДС самоиндукции. На закрытом транзисторе между коллектором и эмиттером создается результирующее напряжение равное сумме напряжения питания U0 и ЭДС самоиндукции. Этим ухудшается прямоугольность импульсов коллекторного тока и тем самым замедляется процесс переключения транзисторов, т.е. уменьшается частота преобразователя.
Частота преобразователя зависит от напряжения питания U0, параметров схемы инвертора и тока нагрузки. С увеличением тока нагрузки, частота преобразователя уменьшается, и в случае короткого замыкания в нагрузке генерация срывается. Это происходит потому, что при увеличении тока нагрузки Iн увеличиваются коллекторные токи транзисторов и сердечник трансформатора переходит в режим насыщения. Энергия из обмотки W1 не передается на W2, что обеспечивает защиту преобразователя от короткого замыкания. При снятии короткого замыкания инвертор вновь начинает работать.
Частота преобразователя выбирается таким образом, чтобы КПД был максимальным, а потери мощности минимальными. Потери мощности (рисунок 6) включают в себя потери в меди обмоток трансформатора (1) потери на перемагничивание сердечника трансформатора (2) и потери в транзисторе (3). Поэтому выбирается некоторая оптимальная частота fопт, которая определяется параметрами преобразователя и находится в диапазоне от единиц до десятков килогерц.
Рисунок 6 – график потерь в транзисторном преобразователе.
Преобразователи могут использоваться для повышения или понижения напряжения. Основным достоинством преобразователя является высокий КПД, большая эксплуатационная надежность, повышенный срок службы, малые объем и масса.
Существенный недостаток транзисторного преобразователя − это небольшая мощность равная десяткам ватт, так как для ЭПУ предприятий связи требуются преобразователи, обеспечивающие выходные мощности до десятков киловатт.
9.3 Изготовление трансформатора на кольцевом (торрондальном) сердечнике.
Трансформатор имеет обмотку W2=330 витков, коллекторную обмотку W1=60 витков с отводом от средней точки и обмотку обратной связи W3=22 витка с отводом от средней точки. Трансформатор наматывается вручную на ферритовом сердечнике при помощи челнока (рисунок 7) проводом ПЭВ диаметром 0,1 мм.
а) б)
Рисунок 7 – Сердечник трансформатора (а) и челнок (б).
Чтобы не вести подсчет витков при намотке обмотки W2 рассчитываем длину провода, которую необходимо намотать на челнок следующим образом. Наматываем на челнок один виток обмоточного провода и измеряем его длину (l4) наматываем на сердечник трансформатора один виток и определяем длину (lс). Разделив l4 на lс определяем количество витков (n) на сердечнике, которые можно выполнить одним витком провода челнока. Разделив 330 на n, получим число витков на челноке для намотки обмотки W2.
Намотав на челнок n витков обмоточного провода, припаиваем к его концу монтажный провод, l=200 мм. До пайки изоляцию на обмоточном проводе снять лезвием или ножом. Наматываем на сердечник один виток скотча (изоленты) и закрепляем монтажный провод скотчем к сердечнику. Наматываем челноком обмоточный провод виток к витку. Выполнив намотку ко второму концу обмоточного провода припаиваем монтажный провод l=200 мм и закрепляем его скотчем. Прибором Ц-4315 измеряем и записываем сопротивление обмотки. Обмотки W1 и W3 наматываются аналогичным образом, только к средней точке припаивается монтажный провод. Монтажные провода для каждой обмотки должны различаться цветами, а отвод от средней точки обозначать узелком на конце провода. Измеряем и записываем сопротивление обмоток W1 и W3.
Работоспособность трансформатора проверяем по следующей схеме (рисунок 8)
Рисунок 8– Схема проверки работоспособности трансформатора.
На генераторе устанавливаем частоту f=10 кГц и напряжение 1 В. Осциллографом измеряем напряжение на полуобмотках U1(U3). Если напряжение на обмотке W1(W3) равно сумме напряжений полуобмоток, то трансформатор намотан правильно. Если напряжение на обмотке равно нулю, то одна из полуобмоток имеет встречную намотку. В этом случае надо демонтировать обмотку и повторить намотку.
План 2006/2007, поз.
Бурда Адам Григорьевич