12816

Исследования транзисторных преобразователей постоянного напряжения

Лабораторная работа

Энергетика

Лабораторная работа №8 Исследования транзисторных преобразователей постоянного напряжения 1.Цель работы Изучение схем и принципа действия транзисторных преобразователей постоянного тока. Исследование экспериментальных характеристик и показателей транзис

Русский

2013-05-03

3.31 MB

59 чел.

Лабораторная работа №8

«Исследования транзисторных преобразователей

постоянного напряжения»

1.Цель работы

Изучение схем и принципа действия транзисторных преобразователей постоянного тока. Исследование экспериментальных характеристик и показателей транзисторных преобразователей постоянного тока.

2. Подготовка к работе

2.1. Изучить теоретический материал по литературе [1  5]: 

- краткие сведения; особенности структурного и функционального построения транзисторных преобразователей постоянного напряжения;

- некоторые особенности и ограничения, накладываемые на схемотехническую реализацию отдельных функциональных узлов транзисторных преобразователей постоянного напряжения;

- процессы функционирования в транзисторных преобразователях постоянного напряжения с самовозбуждением и с независимым возбуждением (с усилителем мощности);

- особенности лабораторной установки (см. п.7).

2.2. Ознакомиться с методическими указаниями данной лабораторной работы.

2.3. Подготовить бланки отчета, где привести информацию , необходимую в дальнейшем для выполнения лабораторной работы.

2.4. Необходимо уяснить назначение каждого элемента преобразователя, цель каждого опыта, ожидаемые  результаты.

2.5. Ответить на контрольные вопросы .

2.6. Подготовить осциллограф к работе в режиме непрерывной развертки с открытым входом с внутренней синхронизацией в диапазоне 10-50 кГц (цена деления 20 мкс).

3. Контрольные вопросы

3.1. Из каких функциональных узлов состоит полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением и каково их назначение?

3.2. Из каких функциональных узлов состоит полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения с усилителем мощности и каково их назначение?

3.3. Объясните принцип действия полупроводникового преобразователя с самовозбуждением.

3.4. Объясните принцип действия полупроводникового преобразователя с усилителем мощности.

3.5. Почему в транзисторных преобразователях используется прямоугольная форма переменного напряжения и от каких факторов зависит эта форма?

3.6. Что представляет собой внешняя (нагрузочная) характеристика транзисторного преобразователя? Объясните ее.

3.7. Почему транзисторные преобразователи постоянного напряжения имеют относительно высокий КПД?

3.8. Каковы достоинства и недостатки транзисторных преобразователей постоянного напряжения?

3.9. Приведите схему построения преобразователя с коммутирующим трансформатором и дайте сравнительную характеристику имеющимся схемам.

3.10. Можно ли в составе силовой части преобразователя использовать транзисторы другой структуры? Если да, то, какие изменения в схеме необходимо произвести , чтобы применить эти транзисторы?

3.11. Изобразите временные диаграммы токов и напряжений в цепях схемы, указанных преподавателем.

4. Содержание работы

4.1. Изучить теоретический материал по рекомендованной литературе:.назначение, особенности структурного, функционального, схемотехнического построения транзисторных преобразователей постоянной   энергии, а также процессы их функционирования.

4.2. Исследовать схему транзисторного преобразователя с самовозбуждением :

4.2.1. Снять внешнюю (нагрузочную ) характеристику преобразователя.

4.2.2.Определить выходное сопротивление преобразователя.

4.2.3.Определить  коэффициент полезного действия преобразователя.

4.2.4. Рассчитать частоту преобразования преобразователя при максимальном токе нагрузки.

4.2.5. Экспериментально определить зависимость изменений частоты преобразования преобразователей при изменении тока нагрузки от минимума до максимума.

4.2.6. Исследование процессов функционирования преобразователя.

4.3. Исследовать схему транзисторного преобразователя с усилителем мощности в соответствии с требованиями п .4.2.1 - 4.2.3, 4.2.5, 4.2.6.

4.4. Выводы по результатам выполненной работы.

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать :

5.1. Принципиальную схему преобразователя с самовозбуждением и принципиальную схему преобразователя с усилителем мощности .

5.2. Технические данные использованных в работе измерительных приборов.

5.3.Таблицы измерений и вычислений.

5.4. Графики рабочих характеристик обоих преобразователей U2, P2, η, fпр=f(I2). Графики исполнить в единой координатной системе.

5.5.Осциллограммы выходного переменного напряжения, а также осциллограммы базовых и коллекторных токов преобразователей .

5.6.Выводы по сравнительному анализу исследуемых характеристик обеих схем преобразователей.

6. Методические указания по выполнению

лабораторной работы

6.1. Программа и порядок изучения теоретических вопросов.

К пункту 4.1. Изучить назначение, особенности структурного, функционального, схемотехнического построения транзисторных преобразователей постоянного тока и процессы их функционирования.

Изучить особенности схемотехнического исполнения лабораторной установки (см. рис.8.1 и п.8).

Получить у преподавателя контрольные вопросы по изученному материалу и подготовить ответы на них. Уточнить у преподавателя форму и объем их представления в отчете.

ПРИМЕЧАНИЕ. Не допускается дальнейшее выполнение работы без разрешения преподавателя. Обязательным условием к допуску для выполнения работы является уяснение особенностей схемотехнического исполнения лабораторной установки (см. п.8).

6.2. Исследовать транзисторный преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением.

К пункту 4.2. Включение макета в работу осуществляется выключателем SA1 (положение "сеть(1)"), а выбор схемы преобразователя переключателем  SA2, расположенным справа на макете. В положении 1 переключателя SА2 задействована схема преобразователя с независимым возбуждением (рис.8.2), а в положении 2 - с самовозбуждением.

Установленные на макете приборы позволяют измерить напряжение питания преобразователей (PU1), потребляемый от источника питания ток  (РА1), постоянное напряжение (PU2) и ток (РА2) нагрузки. Потенциометр Rh является нагрузкой преобразователя.

6.2.1. Исследование внешней характеристики преобразователя.

К пункту 4.2.1. После включения макета переключатель  SA2 установить в положение "2хема 2)", а потенциометр нагрузки RН в положение, соответствующее минимальному току. Постепенно увеличивая ток нагрузки до максимального значения, зафиксировать во всем диапазоне изменения тока нагрузки 5-7 его значений, равномерно разбивающих диапазон измерений. Измерить при этих значениях тока I2 величины I1 , U1 , U2, Тпр. Заданные значения занести в таблицу 8.1.

        Таблица 8.1

изме

рен.

Расчётные данные

I2

U2

U1

I1

Тпр

P1

Р2

fпр.

А

В

В

А

Сек

Вт

Вт

Гц

%

1

..

7

6.2.2.Определение выходного сопротивления преобразователя. К пункту 4.2.2. выходное сопротивление преобразователя определяется по формуле

,

где U2max, I2max - максимальные значения соответственно напряжения и тока нагрузки;

U2min, I2minминимальные  значения тех же величин.

6.2.3. Определение коэффициента полезного действия преобразователя.

К пункту 5.2.3 коэффициент полезного действия преобразователя определяется через значения мощностей

на его выходе  

и на входе  и .

6.2.4.Расчет частоты преобразования преобразователя.

К пункту 4.2.4. Частота колебаний в преобразователе с самовозбуждением рассчитывается по формуле

,

где U1 - напряжение питания преобразователя (по PU1); Uкэнас - напряжение на коллекторно-эмиттерном переходе транзистора VT1(VT2) в режиме насыщения, Uкэнас1В; W1 - число витков коллекторной обмотки, W1= 45;  Sc - сечение сердечника трансформатора TV1 (Sc 10 -5 м2), Вм - индукция насыщения материала (пермаллой марки 50 НП) сердечника, Вм= 1,5 Тл.

6.2.5. Экспериментальное определение частоты преобразования.

К пункту 4.2.5. Экспериментальное значение рабочей частоты преобразователя определяется по осциллограмме в гнездах Х11-X12. Для этого необходимо измерить по маске осциллографа длительность периода Тпр наблюдаемой кривой, используя значения величины n множителя "Время / Деление" одноименного переключателя осциллографа. Измеряемый временной интервал определяется произведением двух величин: длины измеряемого интервала времени на экране по горизонтали в делениях и значения величины времени на деление n в данном положении переключателя "Время/деление". Тогда

6.2.6. Исследование процессов функционирования преобразователя.

К пункту 4.2.6. Осциллограммы наблюдаемых величин следует изображать на интервале 1,5-2 периода, сохраняя их амплитудные и временные соотношения. Наблюдать и зарисовать осциллограммы выходного переменного напряжения преобразователя (гнезда X11, Х12), базового (гнезда Х9, Х10) и коллекторного (гнезда Х7, Х8) токов.

Здесь и далее вход осциллографа должен быть переключен на прием сигналов постоянного тока. При изображении осциллограмм правильно указать ось времени. Изменяя сопротивление Rн реостата, установить максимальное значение тока нагрузки. Наблюдать и зарисовать осциллограммы. 

Если бы трансформатор TV1, включённый в цепь коллекторов обоих схем преобразователей был бы идеальным (т.е. не имел бы рассеивания и распределённой ёмкости обмоток, а его первичная обмотка имела индуктивность, равную бесконечности), то форма импульсов выходного напряжения и коллекторного (базового) тока была бы прямоугольной.

Так как в действительности этого не бывает, то форма импульсов напряжений и токов обычно несколько искажена. В виду насыщения магнитопровода трансформатора TV1 в схеме преобразователя с самовозбуждением (что может быть иногда и в схеме преобразователя с усилителем мощности) в форме импульсов коллекторного (базового) тока в конце каждого полупериода возникают короткие остроконечные выбросы намагничивающего тока трансформатора по амплитуде в 2-3 раза превышающее среднее значение коллекторного (базового) токов (рис.8.1)

6.3. Исследование схем транзисторного преобразователя с усилителем мощности проводятся в соответствии с п.6.2 (за исключением п. 6.2.4 ). 

6.4. По результатам работы сделать выводы. Оформить отчет с учетом требований раздела 6 настоящей методической разработки.

7.Особенности лабораторной установки

Лабораторная установка (рис.8.2) питается от сети переменного тока 220 В. Включение установки осуществляется с помощью выключателя SА1, расположенном в левой нижней части лицевой панели макета. Внутри лабораторной установки имеется выпрямитель с фильтром, которые обеспечивают макет при питании от сети первичным выпрямительным напряжением, измеряемым вольтметром PU1 и первичным выпрямленным током, измеряемым амперметром PA1, которые расположены в левой верхней части лицевой панели макета.

Выходной ток преобразователя (ток нагрузки) плавно меняется резистивным потенциометром Rн, ручка которого расположена в правой части лицевой панели макета. Выходное напряжение преобразователя и ток нагрузки измеряются соответственно вольтметром PV2 и амперметром PA1, расположенным в правой верхней части макета.

Для выбора схемы исследуемого преобразователя: схема 1 - с усилителем мощности, схема 2 - с самовозбуждением, используется ключ SA2, расположенным в нижнем правом углу лицевой панели макета.

Назначение гнёзд на лицевой панели макета:

Х1-Х2 - наблюдение осциллограммы базового тока преобразователя с усилителем мощности.

Х3-Х4 - наблюдение осциллограммы коллекторного тока преобразователя с усилителем мощности.

Х5-Х6 -  наблюдение осциллограммы выходного переменного напряжения  преобразователя с усилителем мощности.

Х7-Х8 -  наблюдение осциллограммы коллекторного тока преобразователя с самовозбуждением.

Х9-Х10 - наблюдение осциллограммы базового тока преобразователя с самовозбуждением.

Х11-Х12 - наблюдение осциллограммы выходного переменного напряжения преобразователя с самовозбуждением.

8. Приложения

8.1 Процессы функционирования в двухтактном

преобразователе с самовозбуждением

Преобразователь (рис.8.3) содержит трансформатор ТU1, магнитопровод которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, и два транзистора VT1, VT2, работающих в ключевом режиме.

При включении преобразователя через резистор Rб и обмотки обратной связи W3, W4 протекают базовые токи транзисторов, достаточные для надежного запуска преобразователя. Из-за неидентичности параметров транзисторов их коллекторные токи окажутся различными, а следовательно результирующая намагничивающая сила в обмотках трансформатора не будет равна нулю.

В магнитопроводе трансформатора создается магнитный поток, который индуктирует в обмотках обратной связи Э.Д.С. такой полярности, что развивается лавинообразный процесс, приводящий к насыщению транзистора с большим начальным коллекторным током (например, VT1) и запиранию транзистора с меньшим коллекторным током (VT2). В результате этого лавинообразного процесса коллекторная  полуобмотка трансформатора (с числом витков W1) окажется подключенной через транзистор VT1 к напряжению источника питания U1, вследствие чего начнется линейное изменение потока в магнитопроводе трансформатора со скоростью, равной

При включении преобразователя рабочая точка трансформатора из-за вышеописанного лавинообразного процесса очень быстро переходит в положение 2 и начинается медленный процесс перемагничивания  магнитопровода трансформатора.

Магнитный поток  в магнитопроводе трансформатора нарастает от значения -Фs до + Фs, рабочая точка трансформатора перемагничивается по кривой намагничивания из положения 2 в положение 3.

На этом интервале намагничивающий ток трансформатора iμ и коллекторный ток транзистора VT1 ik1= iμ + iн'  (где iн'= iнW2/W1- приведенный ток нагрузки) изменяется с малой скоростью. Это объясняется тем, что характеристика намагничивания трансформатора близка к прямоугольной. В точке 3 магнитопровод трансформатора начинает насыщаться, индуктивность трансформатора резко уменьшается, что приведет к резкому  увеличению скорости нарастания токов  и  iк1.

При этом коллекторный ток iк1 транзистора VT1 возрастает до значения, ограниченного током базы

,

где h21Э – коэффициент усиления транзистора по схеме с общим эмиттером, и транзистор VT1 выходит из области насыщения в активную область.

Напряжение на транзисторе VT1 увеличивается, а на всех обмотках транзсформатора уменьшается. Коллекторный ток ik1 и намагничивающий ток  начинают уменьшаться, что приводит к уменьшению магнитного потока и к изменению знака производной dФ/dt. При этом полярность ЭДС на всех обмотках трансформатора изменяется на обратную.

Изменение полярности ЭДС на обмотках обратной связи приводит к отпиранию транзистора VT2 и запиранию VT1. Вновь возникает лавинообразный процесс, в результате которого транзистор VT1 оказывается в режиме отсечки, а VT2  – в режиме насыщения.

На втором полупериоде магнитный поток в трансформаторе уменьшается от +Фs до Фs  и на обмотках трансформатора индуктируется ЭДС противоположной полярности.

Для любого полупериода справедливо соотношение (1) поэтому и напряжение на вторичной обмотке трансформатора (с числом витков W2) в течение полупериода постоянно и равно

.

Это означает, что напряжения на обмотках трансформатора имеют прямоугольную форму.

Время изменения магнитного потока в трансформаторе от +Фs до     –Фs  определяет длительность полупериода, что позволяет определить частоту генерации f. Интегрируя (1) и учитывая, что поток достигает значения Фs за время Т/4 получаем:

C  учетом падений напряжения в транзисторе Uкэнас и имея в виду, что Фs  = Bs S получим

,

где  S  - площадь сечения магнитопровода трансформатора,

Вs   - индукция насыщения.

Из-за большего выбороса коллекторного тока Iкm силовые транзисторы в данном преобразователе плохо используются по току, поэтому его применяют на мощности не более (30-50) Вт.

 Достоинством преобразователя с самовозбуждением  является простота и автоматическая защита его транзисторов и трансформатора от коротких замыканий.

8.2 Процессы функционирования в двухтактном  

преобразователе с независимым возбуждением

с усилителем мощности

Транзисторные преобразователями с независимым возбуждением выполняются на большую мощность, чем с самовозбуждением, а именно до 500 и более Вт.

Структурная схема такого преобразователя имеет вид рис.8.6. В качестве задающего генератора используются или RC мультивибратор, или трансформаторный преобразователь с самовозбуждением (рассмотренный выше), с выходных обмоток которого снимается управляющее прямоугольное напряжение на  транзисторы усилителя мощности.

Выходной каскад усилителя мощности часто  выполняют по двухтактной схеме с выводом средней точки первичной обмотки трансформатора.

При подаче на вход усилителя мощности (обмотки Wб1, Wб2)  управляющего прямоугольного импульса от задающего генератора в первый полупериод открывается  и находится в режиме насыщения транзистор VT1, а транзистор VT2 закрыт. Во второй полупериод транзисторы переключаются.

Форма тока коллектора ik1, ik2 – прямоугольная и не содержит остроконечных импульсов в конце каждого полупериода, потому что  трансформатор Т2 работает без захода в режим насыщения.

Индукция в трансформаторе Т2 выбирается на уровне Bm=(0,4-0,5)Вs (рис.8.4, 8.5), т.е. на линейном участке кривой намагничивания В=f(H), а сам материал сердечника Т2 не должен иметь прямоугольную форму петли гитерезиса.

Форма напряжения на выходе Uвых. прямоугольная. Частота коммутации fк мало зависит от изменения сопротивления нагрузки, поскольку задающий генератор отделен от нагрузки буферным усилительным каскадом.  

При Вm =(0,4-0,5)Вs существенно снижаются потери в стали магнитопровода трансформатора Т2 (Рст.m2), что позволяет применять эту схему на более высокие частоты.

Преобразователь с независимым возбуждением автоматически не защищает силовые транзисторы при перегрузках и коротких замыканиях, в чем его недостаток по сравнению с преобразователем с самовозбуждением.


Рис.8.1
. Временные диаграммы коллекторного тока

SA1

-Bs               2

       1

Iкm

Рис.8.2.Лабораторная установка

ис. 8.3.Преобразователь с самовозбуждением

k

На рис.8.4 приведена кривая намагничивания магнитопровода трансформатора, а на рис. 8.5 - временные диаграммы токов и напряжений в преобразователе с самовозбуждением. Одинаковыми цифрами обозначены ординаты графиков, соответствующие определенным моментам времени. Исходное (перед запуском) положение рабочей точки на кривой намагничивания обозначено цифрой 1.

Рис.8.4. Кривая намагничивания

магнитопровода

Рис. 8.5. Временные диаграммы

В

i

T

0,5T

0

Сеть

R1

X2

X1

R2

R3

R4

R5

V.T5

R6

R8

X3

R10

X4

C1

C2

V.T3

V.T4

R7

V.T6

V.T8

T.V2

X5

W

1-1

W

1-1

W

1-2

W

1-2

W2

W2

V.D1

X6

C3

A

A

V

V

P.A2

P.U2

P.U2

R

н

R

н

R9

~

-

+

-

P.A1

A

V

P.U1

S.A2

1  

(

схема 1)

2  

(

схема 2)

X7

X8

R11

X11

P.A2

V.D2

C4

X12

R12

R13

R14

W3

X9

X10

Схема 1

Схема 2

S.A2

Вкл

S.A1

V.T1

V.T2

сеть

220В

5       

  +Bs      3        4

+

-

-

U2

U1

H

VT2

VT1

сн

R

б

R

W5

W4

W3

W2

W1

ТU1

+

Рис.8.6.Преобразователь с независимым возбуждением


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56492. Travelling to the Land of Health. Подорож в країну Здоров’я 36 KB
  Good morning, children! Today we are going to speak about health. Look at the proverb “Health is above Wealth”. How do you understand these words? Healthy people are happy and rich. Health is above wealth because when we are ill, we do not want to study, to work and to play.
56493. Подорож до країни, мову якої вивчаємо. Прикметник. Ступені порівняння прикметника 102 KB
  Travelling is remarkable in all seasons: in summer when the trees are green and there are a lot of flowers everywhere, in autumn when the trees are coloured, in winter when everything is white with snow, in spring when the trees are in blossom.
56494. Travelling 56 KB
  The most expensive and the fastest way of travelling is by plane. With modern air liner you can travel in one hour to a place you want. The seats are comfortable there. You can sit and read, look out of the window or sleep until you arrive at your airport.
56495. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ОРГАНІВ ТРАВЛЕННЯ. ФІЗІОЛОГІЧНА СУТНІСТЬ ТРАВЛЕННЯ 98 KB
  МЕТА: встановити біологічне значення травлення зробивши загальний огляд травної системи; переконатися в відповідності її функцій; уточнити поняття харчові продукти і поживні речовини...
56496. ТРАВМАТИЗМ НА УРОКАХ ФІЗКУЛЬТУРИ 134 KB
  Травматизм на заняттях фізичної культури - явище, не сумісне з оздоровчими цілями фізичної культури й спорту. Згідно із чинним законодавством, школа несе відповідальність за життя і здоровя учнів.
56498. Требования к конспекту урока математики студента-практиканта в специальном (коррекционном) образовательном учреждении VIII вида 32 KB
  Требования к конспекту урока математики студентапрактиканта в специальном коррекционном образовательном учреждении VIII вида В конспекте указываются: школа класс математика как учебный предмет и дата проведения урока. Рассматривается раздел программы и тема урока в соответствии с разделом программы. Студент должен четко мысленно воспроизводить место урока по данному разделу. Раскрываются цели урока: образовательная воспитательная и коррекционноразвивающая.
56499. Требования к написанию урока по информатике 360 KB
  Образовательные - изучение типов таблиц, определение назначения таблиц различного типа, формирование умений по построению таблиц. Развивающие - формирование приемов мыслительной деятельности и гибкости мышления при ответах на вопросы учителя, развитие умения слушать в процессе объяснения нового материала.
56500. Требования к плану- конспекту урока ручного труда 38.5 KB
  В колонке «Содержание урока» должна быть отражена методика проведения каждого этапа урока, вопросы, обращенные к учащимся и предполагаемые ответы, поэтапный план выполнения изделия...