12659

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРЕВЕРСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРЕВЕРСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ Цель работы: освоение методики расчета типовых цепей насыщения и запирания транзистора и методики экспериментального определения состояния транзистора; ...

Русский

2013-05-02

147 KB

11 чел.

PAGE  9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРЕВЕРСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ

Цель работы: освоение методики расчета типовых цепей насыщения и запирания транзистора и методики экспериментального определения состояния транзистора; исследования процессов в выходной цепи транзистора, работающего в режиме переключений, с индуктивно-активной нагрузкой.

ВВЕДЕНИЕ

Изученные ранее линейные усилители выгодно применять при небольшой мощности нагрузки. Если мощность нагрузки составляет несколько Вт и более, то необходимо применять импульсные усилители, работающие в режиме класса Д, так как они значительно экономичнее.

Высокая экономичность объясняется тем, что в электронном модуляторе во всех режимах выходное сопротивление весьма мало, и поэтому потер составляют единицы процентов от общей энергии, передаваемой из источника питания в нагрузку.

Чтобы обеспечить низкое выходное сопротивление, транзисторы и другие полупровониковые приборы должны работать в режиме переключения, а структура выходной цепи должна обеспечить безразрывность тока нагрузки. Рассмотрим способы создания режима переключения транзистора.

В режиме переключения транзистор периодически переходит из состояния отсечки (точка 0 на рис. 1а) в состояние насыщения (точка 1 на рис. 1а) и обратно.

Если транзистор насыщен, напряжение база-эмиттер Uбэн имеет полярность, показанную на рис. 1б и равно сумме напряжений на остальных переходах транзистора. На границе между активной областью и областью насыщения U'бэ = U'кэ, а напряжение коллектор-база U'кб = 0.

1. РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ НАСЫЩЕНИЯ И ЗАПИРАНИЯ ТРАНЗИСТОРА

В состоянии насыщения коллекторный ток транзистора Iкн максимальный и близкий к предельной величине Еп/Rн. Увеличение уровня h21эIбн слабо влияет на Iкн, но позволяет заметно уменьшить напряжение на насыщенном транзисторе Uкэн и, следовательно, уменьшить мощность, рассеиваемую в выходной цепи транзистора. Поэтому и по ряду других соображений для расчета входной цепи задают с помощью коэффициента насыщения

.    (1)

Тогда сопротивление в цепи насыщения Rбн определяется выражением

.      (2)

При расчете цепи запирания необходимо также выбрать базовый ток Iбз с запасом, способствующим улучшению динамических свойств каскада; запас учитывается коэффициентом запирания

.      (3)

а)

б)

в)

Рис. 1

Сопротивление в цепи запирающего источника Rбз определяется выражением

.     (4)

Заметим, что базовый ток Iбз с учетом kзап значительно больше теплового тока Iк0, который протекает в цепи базы в статическом режиме.

Если транзистор обладает хорошими частотными свойствами, то форсировать базовый ток при запирании необязательно. В этом случае цепь запирания можно предельно упростить, исключив источник Езап. Тогда цепь "запирания" будет состоять только из сопротивления Rбз, включенного параллельно эмиттерному переходу. Такой способ называют "пассивным запиранием". Рекомендуемая величина сопротивлений пассивного запирания приводится в справочниках.

Сопротивления Rбн и Rбз в выражениях (2) и (4)рассчитаны без учета взаимного влияния цепей насыщения и запирания, которое неизбежно возникает при подключении их ко входу одного транзистора и может привести к дополнительному расходу энергии, т.е. к повышению мощности, рассеиваемой в цепи управления транзистором. Это нежелательное явление устраняется введением в цепи насыщения и запирания дополнительных транзисторов, которые обеспечивают поочередное подключение источников Енас и Езап к основному транзистору и, тем самым, устраняют дополнительные затраты мощности.

На рис. 2 на съемной панели лабораторной работы показана схема управления силовым транзистором VT5, в которой коммутация источников насыщения и запирания осуществляется дополнительными транзисторами VT3 и VT4. Сигнал датчика широтно-импульсного модулятора подводится с помощью транзисторов VT1 и VT2.

Для расчета этой схемы необходимо получить у преподавателя исходные данные: Rн, Еп, h21э, kнас и kзап.

Рис. 2

ПОРЯДОК РАСЧЕТА И ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Определить ток базы Iбн5 транзистора VT5 (типа КТ808А или КТ845А)

,

где h21э5 = 20 – интегральный статический коэффициент усиления по току транзистора VT5 в схеме с общим эмиттером;

Uкэн5  1 В – напряжение коллектор-эмиттер насыщенного транзистора VT5.

2. Рассчитать сопротивление R4в цепи насыщающего источника Енас

,    (5)

где Uнас = 6 В – ЭДС насыщающего источника;

Uкэн3  1,0 В – напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора VT3;

Uбэн5  1,0 В – напряжение база-эмиттер насыщенного транзистора VT5.

3. Определить ток базы транзистора VT5 при его форсированном запирании

.

4. Рассчитать сопротивление R5 в цепи запирающего источника

,

где Uзап = 6,0 В – ЭДС запирающего источника.

Uбэз5  Uбэн5; Uкэ4  1,0 В.

5. Определить расчетные коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2

где Rбз3, Rбз4 – сопротивления пассивного  запирания транзисторов VT3, VT4
300 Ом);

h21э3, h21э4 = 20.

5. Рассчитать сопротивление R2, R3:

где Uбэ3, Uбэ4 – напряжения база-эмиттер открытых транзисторов VT3 VT4 ( 1В);

Uкэн1, Uкэн2 – напряжения на насыщенных транзисторах VT1, VT2 ( 0,5В);

Uд1 = Uд4 = 1 В – напряжения на открытых диодах VD1, VD4.

Диодные цепи VD1, VD2 и VD3, VD4 служат для того, чтобы ограничить степень насыщения транзисторов VT3, VT4 во время их открытого состояния и за счет этого повысить быстродействие усилителя (уменьшить времена рассасывания VT3, VT4, у которых отсутствует пассивное запирание).

7. Определить расчетные насыщающие базовые токи транзисторов VT1, VT2

Iбн1 = kнас1  Ik1/h21э1;  Iбн2 = kнас2  Ik2/h21э2;  (h21э1 = h21э1 = 20).

8. Рассчитать сопротивления R1 и Rсм, приняв, что с выхода широтно-импульс-ного модулятора на вход усилителя поступает периодическое напряжение прямоугольной формы, причем Uвх max = 6 В, а Uвх min = 0,5 B.

;

,

где Uбэ1, Uбэ2 – напряжения база-эмиттер насыщенных транзисторов VT1, VT2 ( 1 В).

Результаты расчетов предъявить преподавателю.

9. Не включая питания стенда, замкнуть В1. Установить с помощью переключателя "Rн" заданную величину сопротивления нагрузки. Переключатель характер нагрузки установить в положение "Rн1".

Подобрать и вставить в соответствующие гнезда стенда резисторы, сопротивления которых были рассчитаны в пп. 1–8 (Rсм устанавливать в гнезда R6).

10.Для записи данных эксперимента дважды зарисовать в отчет схему регулятора.

11. Включить осциллограф на вход усилителя. Включить питание стенда. Проконтролировать наличие прямоугольных импульсов на входе и изменение их длительности при вращении ручки датчика на стенде. Переключатель датчика должен быть установлен на шкалу = 10 В.

12. Вращая ручку датчика, установить коэффициент заполнения входных импульсов равным нулю. При этом схема окажется в одном из статических состояний. С помощью вольтметра постоянного напряжения АВО-5М измерить напряжения на переходах всех транзисторов и на всех резисторах, а также напряжения Uнас и Uзап. Проставить эти напряжения на схеме усилителя, обозначив их полярности. По сочетанию напряжений на транзисторах проконтролировать их состояние. Если состояния отличаются от расчетных, прервать эксперимент и обратиться к преподавателю.

13. Изменяя сигнал датчика, установить коэффициент заполнения входных импульсов равным единице. Повторить программу п. 12, используя второй рисунок схемы. Результаты измерений по пп. 12, 13 предъявить преподавателю.

14. Разомкнуть В1, замкнуть В2. К клеммам "+ Uпит –"подключить внешний источник постоянного напряжения, соблюдая полярность. Подключить осциллограф к клемме "Uн(t)". Включить стенд, включить внешний источник питания, установив на нем напряжение 27 В. Проконтролировать осциллографом наличие на нагрузке напряжения прямоугольной формы, коэффициент заполнения которого изменяется от нуля до единицы при вращении ручки датчика.

15. Установить коэффициент заполнения импульсов равным нулю, а затем единице и измерить в обоих состояниях (вольтметром В7-27) напряжения на переходах VT5 и нагрузке. Определить состояния VT5, сравнить с расчетными. Нанести результаты измерений на схемы усилителя. Отключить стенд, результаты предъявить преподавателю.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ВЫХОДНОЙ ЦЕПИ ТРАНЗИСТОРА

Рассчитав входную цепь, которая обеспечивает работу транзистора в режиме переключения, можно предположить для анализа выходной цепи, что транзистор является "идеальным" ключом, замыкающим и размыкающим цепь источника питания. Тогда источник питания с транзистором и диодами, дополняющими входную цепь импульсного усилителя для пропускания токов индуктивной нагрузки, можно представить эквивалентным генератором ЭДС, питающей нагрузку (рис. 3а, в).

В зависимости от типа исполнительного устройства возможны два режима работы цепи нагрузки: режим безразрывной коммутации тока нагрузки, необходимый, например, для управления электродвигателями, и режим отдельных импульсов тока, необходимый для управления электромеханизмами дискретного действия.

Режим безразрывной коммутации в простейшем случае представляет последовательность однополярных импульсов напряжения нагрузки (рис. 3а, б). Среднее значение напряжений и тока в I-ом импульсном режиме определяются выражениями

    (7)

,     (8)

.      (9)

Величины Uн ср и Iн ср зависят от относительно длительности ширины импульса и не зависят от величины индуктивности нагрузки. Индуктивность нагрузки, точнее отношение периода коммутации нагрузки Т и электрической постоянной нагрузки

определяет лишь размах пульсаций (колебаний мгновенных значений) тока нагрузки относительно среднего значения (рис. 3б).

а)

б)

г)

г)

Рис. 3

Чтобы обеспечить безразрывность тока индуктивной нагрузки, простейший каскад необходимо дополнить диодом VD1, пропускающим ток нагрузки в паузах, когда транзистор заперт. На рис. 4а, б показаны состояния схемы во время импульса и паузах коллекторного тока.

Более сложные импульсные режимы (II-ой и III-й) в работе не рассматриваются.

В режиме отдельных импульсов тока ставится задач быстрого увеличения тока нагрузки на интервале Твкл от нуля до тока срабатывания электромеханизма, поддержания тока нагрузки в I-ом импульсном режиме в течение заданного времени и затем быстрое уменьшение тока до величины тока отпускания электромеханизма (в пределе до нуля) на интервале Токл.

На рис. 3г показаны временные диаграммы для предельно быстрого включения и отключения нагрузки, когда интервал поддержания номинального тока уменьшен до нуля Тном = 0.

Если для включения тока нагрузки необходима уже известная цепь: источник питания – транзистор – нагрузка, то для быстрого отключения тока одного диода VD1 недостаточно. Необходимо последовательно с диодом VD1 включить в соответствующей полярности источник ЭДС, реальный или эквивалентный (стабилитрон VD2 на рис. 4 в, г).

а)

б)

г)

д)

Рис. 4

Противовключение напряжения нагрузки можно получить в более сложных мостовых схемах.

Очевидно, что при определенном соотношении между  длительностью интервала включения Т 'вкл, интервалом отключения Т 'откл, периодом коммутации Т и постоянной времени нагрузки н возможен граничный режим между разрывной и безразрывной коммутацией.

Это граничное состояние характеризуется уравнением

.   (10)

Графическое решение уравнения (10) достаточно точно аппроксимируется прямой, как показано на рис. 5. Измерив, например, масштабной линейки сетки на экране осциллографа величину k'з, по графику можно найти отношение Т '/н, а при известной частоте коммутации, задаваемой широтно-импульсным модулятором, и н.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ВТОРОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ

16. Подготовить схему к исследованию I-го импульсного режима . Для этого переключателем В2 закоротить стабилитрон VD7. Переключатель "Характер нагрузки" установить в положение "RL1" (при выключенном напряжении питания стенда).

17. Включить стенд. Наблюдать на экране осциллографа и зарисовать в отчет форму напряжений на нагрузке, ток в диоде и в эмиттер ной цепи транзистора VT5, ток нагрузки. Токи iн(t), iд(t), iэ(t) контролируются по напряжениям на измерительных сопротивлениях Rитн, Rитд и Rитэ.

Все рисунки осциллограмм в отчете необходимо расположить один под другим, соблюдая одинаковый масштаб и последовательность протекания процессов во времени.

18. Выключить напряжение питание стенда. Установит переключатель "Характер нагрузки" в положение "RL2". Включить питание стенда. Повторить и сравнить наблюдения по п. 17.Нанести на имеющиеся рисунки осциллограммы iн(t), iд(t), iэ(t).

19. Снять зависимость среднего значения напряжения на нагрузке Uн ср от kз и Uc. Для этого в каждой точке необходимо определить Uн ср и Iн ср по вольтметру постоянного тока, по масштабной сетке осциллографа.

20. Подготовить схему к исследованию в режиме разрывных токов . Для этого тумблером В2 включить стабилитрон VD7 последовательно с диодом VD6. Повторить наблюдения по пп. 17, 18, зарисовать в отчет осциллограммы для одного значения постоянной времени н.

21. Для двух значений RL установить, наблюдать и измерить значения k'з на границе разрывной и безразрывной коммутации тока. По графику рис. 5 определить и записать в отчет соответствующие значения отношения Т '/н ,н1, н2, Lн1, Lн2.

22. Выключить питание стенда, предъявить результаты преподавателю.

Содержание отчета

  1.  Результаты расчетов по п.п. 1–8, 21.
  2.  Результаты измерений по п.п. 12, 13, 17–21.


Рис. 5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39266. Управление каналами сбыта на «ОАО Беллакт» 214.5 KB
  Канал распределения — совокупность фирм или отдельных лиц, которые принимают на себя или помогают передать кому-то другому право собственности на конкретный товар или услугу на их пути от производителя к потребителю.
39267. Конструкция преобразователя напряжения 12/300В 743 KB
  Требования безопасности при производстве преобразователя напряжения Пожарная безопасность. Для питания электрооборудования от источников постоянного тока широко используются преобразователи напряжения. Наметившаяся тенденция микроминиатюризации в радиоэлектронике привела к тому что полупроводниковые преобразователи...
39268. Разработка конструкции печатного узла регулируемого двухполярного блока питания 950.5 KB
  1 Выбор типа печатной платы односторонняя двухсторонняя; 15 – 16 4.2 Выбор материала печатной платы; 16 – 18 4.3 Выбор метода изготовления печатной платы; 18 – 19 4.6 Расчет размеров печатной платы узла; 23 – 24 4.
39269. Технико-экономический расчет и проектирование участка изготовления печатных плат для сборки изделия: Реле времени с годовой программой 115000 штук 1.12 MB
  1 Расчет количества оборудования коэффициента загрузки. Технические данные оборудования 2.7 Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования 2. По мере развития и совершенствования интегральных схем происходит увеличение сложности и стоимости оборудования для их производства и контроля качества.
39270. Рабочее место электромонтажника 134 KB
  В современных производственных условиях рабочие монтажники радиоэлектронной аппаратуры должны уметь пользоваться сборочномонтажными чертежами читать электрические схемы знать слесарносборочные монтажные и регулировочные операции маркировку современных электрорадиоэлементов обнаруживать и устранять неисправности в собираемых изделиях знать правила безопасности труда. 4 Перечень НТД по охране труда безопасности работы руководящим должностным и производственным инструкциям № № инструкций Наименование инструкций 1 489 По охране...