50600

Импульсные стабилизаторы напряжения

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Цель работы Изучить назначение принцип действия свойства и возможные схемотехнические решения импульсных стабилизаторов напряжения. Задание Ознакомиться с принципами построения характеристиками и свойствами импульсных стабилизаторов напряжения. Исследовать свойства импульсных стабилизаторов напряжения построенного на биполярных транзисторах.

Русский

2014-01-26

143 KB

53 чел.

PAGE  7

Лабораторная работа № 10

Импульсные стабилизаторы напряжения

1. Цель работы

Изучить назначение, принцип действия, свойства и возможные схемотехнические решения импульсных стабилизаторов напряжения.

2. Задание

Ознакомиться с принципами построения, характеристиками и свойствами импульсных стабилизаторов напряжения.

Исследовать свойства импульсных стабилизаторов напряжения, построенного на биполярных транзисторах.

3. Пояснения к лабораторной работе

3.1. Краткие сведения

Общим недостатком компенсационных стабилизаторов напряжения является низкий КПД из-за потерь в транзисторах регулирующего элемента, что, кроме того, требует мощных теплоотводов, значительно превышающих по габаритам и массе сами стабилизаторы. Более прогрессивным техническим решением являются импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН), в которых транзисторы регулирующих элементов работают в ключевом режиме. При использовании высокочастотных транзисторов проблема КПД и массо-габаритных характеристик в таких стабилизаторах решается достаточно радикально.

Рис. 1. Структурные схемы последовательного ИСН понижающего типа (а), параллельного ИСН повышающего (б) и инвертирующего (в) типа

Существуют три основные схемы ИСН: последовательный ИСН понижающего типа (рис. 1,а), параллельный ИСН повышающего (рис. 1,б) и параллельный инвертирующего (рис. 1,в) типа. Все три схемы содержат накопительный дроссель L, регулирующий элемент 1, блокировочный диод VD, элементы управления 2, 3 и конденсатор фильтра С.

В последовательном ИСН понижающего типа (рис. 1,а) регулирующий элемент 1 и дроссель L включены последовательно с нагрузкой Rn. В качестве РЭ используется транзистор, работающий в ключевом режиме. При открытом в течение времени Ти транзисторе энергия от входного источника постоянного тока Ui (или выпрямителя с выходным напряжением Uo) передается в нагрузку через дроссель L, в котором накапливается энергия. При закрытом в течение времени Тп транзисторе накопленная в дросселе энергия через диод VD передается в нагрузку. Период коммутации (преобразования) равен Т = Ти + Тп. Частота коммутации (преобразования) f = 1/T. Отношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс напряжения длительностью Ти, к периоду коммутации Т называется коэффициентом заполнения Кз = Ти/Т.

Таким образом, в импульсном стабилизаторе регулирующий элемент 1 преобразует (модулирует) входное постоянное напряжение Ui в серию последовательных импульсов определенной длительности и частоты, а сглаживающий фильтр, состоящий из диода VD, дросселя L и конденсатора С, демодулирует их в постоянное напряжение Uo. При изменении выходного напряжения Uo или тока в нагрузке Rn в импульсном стабилизаторе с помощью цепи обратной связи, состоящей из измерительного элемента 3 и схемы управления 2, длительность импульсов изменяется таким образом, чтобы выходное напряжение Uo оставалось неизменным (с определенной степенью точности).

Импульсный режим работы позволяет существенно уменьшить потери в регулирующем элементе и тем самым повысить КПД источника питания, уменьшить его массу и габариты. В этом и состоит основное преимущество импульсных стабилизаторов перед компенсационными стабилизаторами непрерывного действия. В параллельном ИСН повышающего типа (рис. 1,б) регулирующий элемент 1 подключен параллельно нагрузке Rn. Когда регулирующий транзистор открыт, ток от источника питания Ui протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD при этом находится в закрытом состоянии и поэтому не позволяет конденсатору С разрядиться через открытый регулирующий транзистор. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С. В момент времени, когда регулирующий транзистор закрывается, ЭДС самоиндукции дросселя L суммируется с входным напряжением и энергия дросселя передается в нагрузку, при этом выходное напряжение оказывается больше входного напряжения питания Ui. В отличие от схемы на рис. 1,а здесь дроссель не является элементом фильтра, а выходное напряжение становится больше входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя L и временем открытого состояния регулирующего транзистора (или скважностью управляющих импульсов).

Схема управления стабилизатором на рис. 1,б построена таким образом, что, например, при повышении входного напряжения питания Ui уменьшается длительность открытого состояния регулирующего транзистора на такую величину, что выходное напряжение Uo остается неизменным.

В параллельном инвертирующем ИСН (рис. 1,в), в отличие от схемы на рис. 1,б, дроссель L включен параллельно нагрузке Rn, а регулирующий элемент 1 — последовательно с ней. Блокирующий диод отделяет конденсатор фильтра С и нагрузку Rn от регулирующего элемента по постоянному току. Стабилизатор обладает свойством изменения (инвертирования) полярности выходного напряжения Uo относительно полярности входного напряжения питания.

Импульсные стабилизаторы в зависимости от способа управления регулирующим транзистором могут выполняться с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) или релейным управлением. В ШИМ-стабилизаторах в процессе работы изменяется длительность импульса Ти, а частота коммутации остается неизменной; в ЧИМ-стабилизаторах изменяется частота коммутации, а длительность импульса Ти остается постоянной; в релейных стабилизаторах в процессе регулирования напряжения изменяется как длительность импульсов, так и частота их следования.

Наибольшее распространение на практике получил последовательный ИСН (рис. 1,а), в котором накопительный дроссель одновременно является элементом сглаживающего LC-фильтра. В стабилизаторах на рис. 1,б и 1,в дроссель L не участвует в сглаживании пульсации выходного напряжения: этих схемах сглаживание пульсации достигается только за счет увеличения емкости конденсатора С, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.

3.2 Исследуемые свойства

Статическая регулировочная характеристика, определяемая для стабилизатора на рис. 1,а по формуле

Uo/Ui = Кз(1 — Кз),

представляет собой прямую, наклон которой зависит (без учета потерь в регулирующем транзисторе и диоде) от отношения активных сопротивлений дросселя и нагрузки, т. е. Kr = Rd/Rn. Напряжение Uo на нагрузке определяется относительной длительностью управляющих импульсов (при постоянном Ui) и не может быть больше напряжения питания, а линейность данной характеристики соответствует условиям устойчивой работы ИСН.

Рассмотрим основные элементы ИСН (см. рис. 1,а). Начнем с основного блока, схема которого показана на рис. 2.

Рис. 2. Силовой блок последовательного ИСН

Блок включает в себя силовую часть и регулирующий элемент на транзисторе VT1, управляемый ключом на транзисторе VT2 (диод VD2 служит для защиты базового перехода VT2 при большом отрицательном входном сигнале управления). Сопротивление резистора R1 выбирается из условия обеспечения закрытого состояния транзистора VT1 (100...900 Ом), a R2 — ориентировочно из условия kbUi = R2Ikmax, где k = 1,5...2 — коэффициент запаса по насыщению; b, Ikmax — коэффициент усиления тока и максимальный импульсный коллекторный ток транзистора VT1. Аналогичным образом выбирается сопротивление резистора R3, но при этом в расчетах Ui заменяется амплитудой управляющего импульса функционального генератора.

Исходными данными для выбора параметров схемы на рис. 2 являются: напряжение Ui и пределы его изменения; внутреннее сопротивление Ri источника Ui; номинальное выходное напряжение стабилизатора Uo и допустимые пределы его регулировки; максимальный Inmax и минимальный Inmin токи нагрузки, допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения стабилизатора; коэффициент стабилизации Кс и внутреннее сопротивление Ro; максимальный температурный уход напряжения Uo и др. Порядок выбора параметров следующий:

1. Выбираем частоту преобразования f (до 100 кГц, для модели — единицы килогерц) и принимаем ориентировочно КПД = 0,85...0,95.

2. Определяем минимальное и максимальное значения относительной длительности (коэффициента заполнения) импульса напряжения на входе фильтра:

Кзmin = Uimin/UomaxKПД,

Кзmах = Uimаx/UоminКПД.

3. Из условия сохранения режима непрерывности токов дросселя определяем его минимальную индуктивность

Lmin = Uomax(l – Kзmin)/2Inminf.

4. Вычисляем произведение LC по заданному значению напряжения пульсаций Unp

LC = Unmin(l — Kзmin)/16UnpF2,

откуда затем находим емкость конденсатора С.

Произведение LC определяет не только уровень пульсаций, но и характер переходных процессов выходного напряжения после включения стабилизатора.

На рис. 3 показаны результаты моделирования схемы на рис. 2 при следующих данных: f = 1 кГц, Кз = 0,5, Rn = 100 Ом, L = 200 мГн, С = 100 мкФ (для рис. 3,а) и С = 1 мкФ (для рис. 3,б). Как видно из осциллограмм, при сравнительно большом значении произведения LC переходная характеристика исследуемой схемы имеет колебательный характер, что приводит к скачкам выходного напряжения, которые могут оказаться опасными для потребителя (нагрузки).

Рис. 3. Осциллограммы выходного сигнала ИСН при емкости С = 100 мкФ (а) и 1 мкФ (б)

Перейдем к рассмотрению следующего функционального узла ИСН — схемы управления и измерительного элемента. При этом целесообразно рассмотреть характеристики используемых в ИСН модуляторов.

Импульсные стабилизаторы с ШИМ по сравнению со стабилизаторами двух других типов имеют следующие преимущества:

  1.  обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования независимо от напряжения первичного источника питания и тока нагрузки; частота пульсации на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии;
  2.  реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИСН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИСН от общего первичного источника постоянного тока. Кроме того, при работе ИСН на нерегулируемый преобразователь (например, усилитель мощности) возможна синхронизация частот обоих устройств.

Недостатком ИСН с ШИМ по сравнению со стабилизатором релейного типа является более сложная схема управления, содержащая обычно дополнительный задающий генератор.

Импульсные стабилизаторы с ЧИМ, не имея существенных преимуществ перед другими типами ИСН, обладают следующими недостатками:

  1.  сложность реализации регуляторов частоты в широких пределах, особенно при больших изменениях напряжения питания и тока нагрузки;
  2.  отсутствие возможности реализации отмеченных выше преимуществ систем регулирования с ШИМ.

Последний недостаток относится и к релейным или двухпозиционным ИСН, которые характеризуются также сравнительно большой пульсацией напряжения на нагрузке (в стабилизаторах с ШИМ или ЧИМ пульсации выходного напряжения принципиально могут быть сведены к нулю, что невозможно достичь релейных стабилизаторах).

В общем случае блок 3 (рис. 4,а) содержит делитель напряжения, источник опорного напряжения ИОН, сравнивающий элемент и усилитель рассогласования. Эти элементы выполняют такие же функции, что и в компенсационном стабилизаторах. Для ИСН с ШИМ к этим устройствам добавляются формирователи синхронизирующего напряжения (задающий генератор) и пороговое устройство, помощью которых осуществляется формирование модулированных по длительности импульсов. Изменение длительности управляющего импульса осуществляете модуляцией его переднего или заднего фронта.

При модуляции переднего фронта линейно изменяющееся напряжение синхронизации на каждом периоде нарастает, а при модуляции заднего фронта управляющее напряжение в каждом периоде уменьшается. При модуляции по обои фронтам напряжение синхронизации на каждом периоде нарастает и спадает. Это вид модуляции по сравнению с односторонней модуляцией позволяет реализовать более быстродействующие ИСН, так как в этом случае мгновенное значение управляющего напряжения влияет на формирование фронтов.

Коэффициент передачи схемы управления, устанавливающий связь между изменениями относительной длительности импульсов на входе сглаживающего фильтра и напряжения на нагрузке (для ШИМ), равен

Кш = КднКу/2иу,

где Кдн, Ку - коэффициенты передачи делителя напряжения и усилителя рассогласования соответственно; Uy — амплитуда синхронизирующего напряжения.

3.3. Схема для исследования ИСН

Полная схема ИСН с элементами ШИМ показана на рис. 4,а. Делитель напряжения выполнен на резисторах R3, R4, источник опорного напряжения — на резисторе R5 и стабилитроне VD2, усилитель сигнала рассогласования — на ОU1 пороговое устройство — на OU2. Поскольку оба ОУ питаются от однополярного источника, для согласования уровней в ключевом каскаде на VT2 в эмиттерную цепь включен параметрический стабилизатор (VD3, R8). В качестве задающего использован функциональный генератор в режиме пилообразных импульсов; при модуляции по переднему фронту коэффициент заполнения (Duty cycle) выбираете максимальным (99%), при модуляции по заднему фронту — минимальным (0,1% при модуляции по обоим фронтам — 50%. На рис. 4,б показаны результаты моделирования процесса формирования управляющих импульсов при модуляции по переднему фронту; они получены при Rn = 100 Ом и Ui = 20 В. Как видно из полученных осциллограмм, сразу после включения источника питания формируют импульсы управления максимальной длительности, затем наступает продолжительная пауза из-за положительного скачка выходного напряжения Uo, затем опять идет форсированный режим из-за отрицательного скачка Uo. Установившийся режим формирования управляющего импульса наступает через несколько периодов управляющего сигнала задающего генератора.

Рис. 4. Схема ИСН, дополненная элементами ШИМ (а) и осциллограммы

сигналов управления и сигналов ШИМ (б)

4. Порядок выполнения работы

4.1. Предварительная подготовка

1. Изучить описание данной работы по методическим указаниям к выполнению лабораторной работы и дополнительной литературе.

2. Подготовить конспект по работе, начертив схемы экспериментов с обозначением номиналов элементов и типов транзисторов и таблицы для записи результатов экспериментов.

4.2. Выполнение работы

4.2.1. Исследование

Для схемы на рис. 2 получите зависимость Uo = f(Ka) при f = 1 кГц, Uy = 3 В (однополярность управляющих прямоугольных импульсов обеспечивается установкой на функциональном генераторе постоянной составляющей Offset = 3 В, коэффициент заполнения Кз задается выбором параметра Duty cycle), Ui = 30 В, Rn = 100 Ом, L = 100 мГн, С = 100 мкФ.

4.2.2. Исследование

Для схемы на рис. 2 исследуйте зависимость формы переходных процессов от активного сопротивления потерь Rd, включая последовательно с дросселем сопротивление 0,1...10 Ом.

4.2.3. Исследование

Исследуйте ИСН по схеме рис. 4 при модуляции заднего фронта, одновременно переднего и заднего; сравните результаты по времени выхода устройств в установившийся режим.

4.2.4. Исследование

Для каждого способа формирования управляющих сигналов в установившемся режиме получите зависимость периода формирования управляющих сигналов от сопротивления нагрузки Rn в диапазоне 10...1000 Ом и входного напряжения Ui в диапазоне 15...40 В.

5. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

  1.  Наименование работы, краткое описание исследуемых устройств, используемых в экспериментальных исследованиях.
  2.  Принципиальные схемы проведенных экспериментов с обозначением выводов и номиналов элементов, используемых при проведении экспериментальных исследований.
  3.  Полученные результаты исследования, сведенные в таблицы.
  4.  Временные диаграммы сигналов, полученные с помощью осциллографа.

  1.  Контрольные вопросы

  1.  Назовите основные типы импульсных стабилизаторов напряжения.
  2.  Какие типы модуляторов используются в импульсных стабилизаторах?
  3.  Каким образом сказываются частотные характеристики регулирующего (силового) транзистора на КПД и габаритах ИСН?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38930. Линейные цифровые фильтры и их характеристики 47 KB
  Под термином цифровая фильтрация обычно понимают локальную цифровую обработку сигнала скользящим окном или аппертурой. Для каждого положения окна за исключением возможно небольшого числа крайних точек выборки выполняются однотипные действия которые определяют так называемый отклик или выход фильтра. Если действия определяющие отклик фильтра не изменяются в процессе перемещения по выборке сигнала то соответствующий фильтр называется стационарным. Различают линейную и нелинейную цифровую фильтрацию.
38931. Развитие видеозаписи на дисках. Видеопроигрыватели Laser Vision. Структурная схема и принцип работы 265 KB
  Диаметр 30 см; Длительность 30 мин. Диаметр 30 см; Длительность 5 мин; 156 об мин. Диаметр 21 см; Длительность 10 мин цвет; 1500 об мин; 280 канавок мм; четкость 250 линий. Диаметр 30 см; длительность 30 мин; четкость 250 линий.
38932. Цифровая запись видеосигнала. Достоинства по сравнению с аналоговой. Основные принципы цифровой видеозаписи 60 KB
  Цифровая запись видеосигнала пришла на смену аналоговым носителям как более гибкое и удобное средство формирования транспортировки и хранения видеоданных. аналоговый сигнал сглаживается менее подверженным искажениям менее зависимым от аппаратной реализации воспроизведения расширяются возможности обработки сигнала Требования к АЦП: Частота квантования – не менее 135 МГц Число разрядов – не менее 8 Число каналов: Для чернобелого – 1 Для цветного – 3 или 2 Дискретизация: Дискретизация дает некоторые искажения: Стоит...
38933. Компрессия с потерей информации. Свойства зрения, используемые для сжатия ВС. Основные методы компрессии с потерей информации 46 KB
  Наибольшее распространение для сжатия движущихся изображений получил стандарт MPEG. MPEG англ. MPEG стандартизовала следующие стандарты сжатия: MPEG1: Исходный стандарт видео и аудио компрессии. MPEG2: видео и аудиостандарты для широковещательного телевидения.
38934. Стандарт VHS. Основные принципы функционирования. Параметры и характеристики 170.5 KB
  Формат видеозаписи VHS Наиболее распространенным сегодня в бытовой видеозаписи особенно в СНГ остается формат VHS Video Home System разработанный японскими фирмами Mtsushit и JVC еще в 1975 году. Первоначально для записи и воспроизведения изображения применялись две видеоголовки размещенные на вращающемся барабане расположенном наклонно относительно ленты. В дальнейшем для возможности экономной записи и воспроизведения при меньшей скорости ленты режим LP long ply а так же для улучшения качества воспроизводимой картинки в...
38935. Основные преобразования видеосигнала при записи и воспроизведении в стандарте VHS. АЧХ канала записи ВМ 58.5 KB
  Основные преобразования видеосигнала при записи и воспроизведении в стандарте VHS. Характерными особенностями видеосигнала являются его широкополосность максимальная ширина спектра видеосигнала яркости составляющая примерно 6 МГц намного больше максимальной ширины спектра аудиосигнала составляющей примерно 20 кГц и компонентный характер в спектральном представлении разделение информации об изображении на сигнал яркости EY красный цветоразностный ERY в SECM корректированный D’R и синий цветоразностный EBY или D’B сигналы...
38936. Структурная схема канала записи сигналов яркости. Структурная схема записи канала сигнала цветности 279 KB
  Структурная схема записи канала сигнала цветности. Канал яркости Частотномагнитная ЧМ запись полного цветового телевизионного сигнала на магнитную ленту осуществляется посредством ЧМ модуляции несущей непосредственно этим сигналом. Несмотря на то что частота несущей выбирается так чтобы она лишь незначительно превышала верхнюю частоту передаваемого сигнала ширина полосы записываемых частот все же почти в два раза превышает полосу частот видеосигнала.
38937. Преобразование данных при цифровой обработке видеосигнала. Необходимость сжатия информации 77 KB
  Для преобразования любого аналогового сигнала звука изображения в цифровую форму необходимо выполнить три основные операции: дискретизацию квантование и кодирование. Дискретизация представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений отсчетов. Ступенчатая структура дискретизированного сигнала может быть сглажена с помощью фильтра нижних частот.
38938. Компрессия без потери информации. Групповое кодирование и метод Хаффмана 24.5 KB
  Компрессия сжатие без потерь метод сжатия информации при использовании которого закодированная информация может быть восстановлена с точностью до бита. Компрессия без потерь: Обнаружение и кодирование повторяющейся информации Часто повторяющаяся информация кодируется словом меньшей длины чем редко повторяющаяся информация Методы сжатия без потерь разделяют на 2 категории: методы сжатия источников данных без памяти т. не учитывающих последовательность символов методы сжатия источников с памятью Групповое кодирование. Метод...