Лабораторная работа №5 исследование источников вторичного питания
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомиться с основными типами и конструкцией вторичных источников питания трансформаторного типа.
Приобрести практические навыки измерения и анализа характеристик и основных параметров вторичных источников питания трансформаторного типа.
Задание на подготовку к проведению лабораторной работы
Повторить (по конспектам лекций, рекомендованной литературе) теоретический материал, соответствующий тематике лабораторной работы. Изучить материал раздела «Краткие теоретические сведения» настоящей работы.
Допуск к лабораторной работе проводится в виде письменной работы с ответами на контрольные вопросы (или в виде теста на ПЭВМ).
Изучить по данному руководству порядок выполнения работы и подготовить структуру отчета с указанием наименования работы, целей работы, пунктов экспериментальных исследований. В каждом пункте исследований привести схемы измерений, таблицы, координатные оси для построения графиков (масштабы выбираются исполнителем), Оставить место для расчетов и выводов (некоторые из общих выводов можно написать в ходе подготовки к занятию).
Краткие теоретические сведения
Источник вторичного электропитания (источник питания) – устройство, подключаемое к силовой сети и обеспечивающее электропитанием самостоятельные приборы и отдельные устройства радиотехнических систем. Источники вторичного питания строятся по двум типовым схемам: традиционной (трансформаторной) и с бестрансформаторным входом.
Основные элементы источников питания: выпрямители, фильтры (пассивные или активные) и стабилизаторы напряжения или тока. Последние часто дополняются схемами защиты от перегрузок по входному напряжению и выходному току.
Основные параметры выпрямителей:
номинальные напряжение и частота питающей сети;
выходное напряжение и выходной ток (ток в нагрузке);
коэффициент полезного действия (КПД);
коэффициент пульсаций.
Под КПД понимают отношение мощности питающего напряжения на выходе выпрямителя к мощности питающего напряжения на его входе.
Под коэффициентом пульсаций понимают отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения и его постоянной составляющей.
Сглаживающие фильтры, включаемые между выпрямителем и активной нагрузкой, применяют для уменьшения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения
Допустимые значения коэффициента пульсаций КП напряжения питания зависит от вида нагрузки и не может превышать определенных величин. В частности, для стабилизаторов напряжения он может составлять 0,5 .. 3 ·10-2 , для усилительных каскадов он должен быть не более 10 - 4...10 - 5, а для автогенераторов — 10 --5...10 - 6 и ниже.
Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его входе и выходе:
.
Пассивные емкостные фильтры и RC фильтры применяются в маломощных выпрямителях (выпрямителях с высокоомной нагрузкой). Фильтры на LC – элементах применяются при повышенных токах нагрузки и имеют высокий КПД, поскольку падение напряжения постоянного тока на их элементах можно сделать достаточно малым. Основной недостаток таких фильтров – большие масса и габариты, наличие магнитного поля рассеяния, сравнительно высокая стоимость.
Широкое применение находят активные фильтры на транзисторах. Их основное достоинство – более высокий (по сравнению с пассивными фильтрами) КПД, и достаточно высокий коэффициент сглаживания.
Для увеличения коэффициента сглаживания при повышенных токах нагрузки применяют составной транзистор из двух транзисторов, а при токах нагрузки 3 .. 5 А используют составной транзистор из трех транзисторов.
Стабилизаторы напряжения являются самостоятельным узлом вторичного источника питания. Основные параметры стабилизаторов напряжения:
Коэффициент стабилизации напряжения – отношение относительных изменений входного и выходного напряжений при постоянном выходном токе
.
Выходное сопротивление стабилизатора – отношение приращения выходного напряжения к выходному току
.
Коэффициент полезного действия – отношение мощности на выходе стабилизатора к мощности на входе стабилизатора
.
Полупроводниковые параметрические стабилизаторы напряжения (ППСН) являются наиболее простыми. Их основу составляют кремниевые стабилитроны и стабисторы. ППСН имеют сравнительно невысокий коэффициент стабилизации напряжения (до 100), низкий КПД (до 0,5), большое выходное сопротивление (без термокомпенсации 6 .. 10 Ом, с термокомпенсацией 25 .. 40 Ом). ППСН не позволяют получить точное выходное напряжение и регулировать его.
Для повышения напряжения стабилизации стабилитроны (одного номинала) включаются последовательно (рис.5.1, б). Для термокомпенсации (для компенсации ТКН) последовательно с ними в прямом направлении включается выпрямительный диод (рис.5.1, в). При этом напряжение на нагрузке определяется суммой напряжения на стабилитроне (стабилитронах) и на открытом диоде. При термокомпенсации коэффициент стабилизации уменьшается в 2 .. 4 раза. Коэффициент стабилизации также уменьшается при увеличении тока нагрузки.
Максимальная выходная мощность ППС ограничена предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощностью стабилитрона. Для повышения выходной мощности стабилизатора ППСН дополняется эмиттерным повторителем (рис.5.2, а). Коэффициент стабилизации при этом не увеличивается.
Для повышения коэффициента стабилизации (в 5 .. 10 раз) без снижения КПД вместо балластного резистора включается источник стабильного тока, состоящий из биполярного транзистора, стабилитрона и двух резисторов (рис. 5.2, б). Вместо стабилитрона могут быть использованы два диода, включенные в прямом направлении, а резистор R1 может быть исключен из схемы.
Компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН) непрерывного действия относятся к устройствам автоматического регулирования с отрицательной ОС. КСН последовательного типа широко используются в источниках вторичного питания.
Одной из основных задач улучшения качества КСН является повышение КПД. Основной путь повышения КПД – снижение потерь на регулирующем элементе. Разнообразие подходов решения указанной задачи определяет различие схем реализации КСН.
Широкое распространение в источниках вторичного питания получили стабилизаторы на основе микросхем серии КР142ЕН, выполненные как для получения фиксированных значений стабилизированного напряжения (однополярного или двухполярного), так и для построения стабилизаторов с плавной установкой значений стабилизированного выходного напряжения.
Структура интегральных стабилизаторов во многом схожа со структурой стабилизаторов на дискретных элементах. Вместе с тем в схему интегральных стабилизаторов введены дополнительные цепи защиты от перегрузок по току; по короткому замыканию и др.
Схемы защиты широко используются и в дискретных стабилизаторах. Их применение усложняет и удорожает схемное исполнение, вместе с тем повышает ее надежность.
Основное требование, предъявляемое к схемам защиты КСН – возврат в исходное состояние после устранения перегрузки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Назовите два основных подхода к построению вторичных источников питания.
Перечислите основные узлы источников вторичного питания трансформаторного типа и укажите последовательность их включения.
Поясните принцип построения источников вторичного питания бестрансформаторного типа.
Укажите основные типы выпрямителей, классифицируемых по форме выпрямленного напряжения, изобразите схемы выпрямителей.
Дайте определение коэффициенту пульсаций выпрямленного напряжения.
Укажите достоинства и недостатки однополупериодной схемы выпрямителя.
Укажите достоинства и недостатки двухполупериодной схемы выпрямителя с выводом средней точки.
Укажите достоинства и недостатки однофазной мостовой схемы выпрямителя.
Запишите выражение для определения действующего (среднеквадратического) значения выпрямленного напряжения.
Укажите основное назначение фильтра в источнике вторичного питания.
Как оценивается качество фильтра?
Как определяется коэффициент сглаживания пульсаций?
Поясните принцип действия активных фильтров на БПТ.
Укажите достоинства и недостатки активных фильтров на БПТ.
Перечислите основные параметры стабилизаторов напряжения.
От каких факторов зависит коэффициент полезного действия стабилизаторов?
Перечислите основные типы стабилизаторов напряжения.
Изобразите схему ППСН, укажите достоинства и недостатки данных стабилизаторов.
С какой целью в ППСН используется прямое включение выпрямительных диодов?
Укажите назначение источника стабильного тока в ППСН?
Что изменится, если в схеме ППСН КС156А заменить на КС147А? На что в этом случае следует обратить внимание?
Поясните принцип действия компенсационных стабилизаторов напряжения.
В каких пределах лежит КПД КСН? Укажите основной путь повышения КПД КСН.
С какой целью в КСН на биполярных транзисторах используются составные транзисторы?
Каким образом КСН влияют на уровень пульсаций выпрямленного напряжения.
Для чего в КСН используются операционные усилители?
В чем особенности стабилизаторов, выполненных на основе микросхем КР142 ЕН?
Какие основные требования предъявляются к схемам защиты стабилизаторов?
Как на практике можно определить КПД КСН?