Работа № 1. Диоды в источниках питания

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ АНАЛОГОВЫХ

И КЛЮЧЕВЫХ СХЕМ

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Электроника и микроэлектроника»

Тверь, 2005

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчёты по проведённым лабораторным работам должны включать:

1. Наименование работы.

2. Чертёж принципиальной схемы макета лабораторной работы.

3. Для каждого этапа выполняемой работы – наименование этапа и результаты (в форме таблиц, графиков, зарисовок осциллограмм).

4. Краткие выводы по работе в целом.

Работа № 1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

Цель работы — исследование характеристик и параметров выпрямительных схем и стабилизаторов напряжения. Продолжительность работы — 3,5 часа.

Теоретическая часть

Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянного тока. В большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменного напряжения сети с помощью вторичных источников питания, включающих выпрямители напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения (рис. 1).

Рис. 1.Структурная схема вторичного источника питания

В составе выпрямителя обычно входят: силовой трансформатор, предназначенный для получения необходимых величин переменного напряжения из напряжения сети, а также для гальванической развязки с сетью; вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока, и емкостная нагрузка вентильной группы, представляющая собой конденсатор относительно большой емкости, который можно также рассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения. В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют конденсаторы, индуктивные катушки и их сочетания: Г-образные (LC) и П-образные (CLC).

Если к выходному напряжению предъявляется высокие требования по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питания вводится стабилизатор напряжения.

На рис. 2а представлена схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым выпрямительным диодом V. Как известно, вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода имеет вид, представленный на рис. 3. Для упрощения практических расчетов ее часто представляют на основе кусочно-линейной аппроксимации двумя участками прямых AB и BC, причем

AB идет по оси абсцисс, а наклон BC определяется средним, прямым сопротивлением диода

С целью дальнейшего упрощения иногда принимают и тогда точка B смещается в начало координат. Как следует из такой аппроксимации ВАХ, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, его внутреннее сопротивление на участке BA стремится к бесконечности, а на участке BC сравнительно мало.

На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t₂–t₁, соответствующем изменению фазового угла ωt₂–ωt₁, диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора C. Постоянная времени заряда τ_зар = C(R_н||R_пот), где сопротивление потерь R_пот = R_пр.ср+R_тр (R_тр — активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда R_пот ≤ R_н и τ_зар ≈ CR_пот. В остальную часть периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается.

τ_разр ≈ C(R_н||(R_обр+R_тр)).

Поскольку у правильно выбираемых диодов их обратное сопротивление R_обр >> R_тр+R_н, постоянная времени разряда τ_разр ≈ CR_н и τ_зар << τ_разр, т.е. процессы заряда и разряда конденсатора C идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения U_с, на диоде обратное напряжение может достигать величины U_{обр.макс} = 2U_2m. Фазовый угол, в течение которого диод открыт, обозначается

2Θ = ωt₂ – ωt₁ , где Θ – угол отсечки. Чем меньше Θ, тем больше U ₀ и меньше пульсации. Поэтому Θ желательно уменьшать.

Эффективность работы любого сглаживающего фильтра определяют

коэффициентом пульсаций, равным отношению напряжения первой гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U ₀.

Выходное сопротивление,

где ΔU₀ и ΔJ₀ находят по нагрузочной характеристике источника U ₀ = f (J ₀); U ₀ и J ₀ — напряжения и ток нагрузки.

.

На рис. 2б приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диоды V 2 и V 3 (пунктирные стрелки), в другом — через диоды V 1 и V 4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в два раза U _{обр.макс} > U 2 m по сравнению с однополупериодной схемой. Ещё одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в противоположных направлениях.

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения между выпрямителем и нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе

.

Например, простой LC– фильтр, представляющий собой последовательно с нагрузкой включенный дроссель и параллельно с нагрузкой включенный конденсатор, существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U ₀ сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора — к бесконечности, для пульсирующей — наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически без изменений, а пульсирующая существенно уменьшается.

Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить K_п, R_вых, а также зависимость U ₀ от колебаний напряжения сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации при постоянном токе нагрузки

где ΔU_вых — приращение U ₀ при изменении U_вх на величину ΔU_вх; U_вх.ном, U_{вых.ном} — номинальные значения напряжений.

Простейшим электронным стабилизатором является параметрический стабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления R_б и стабилитрона. Он устанавливается а источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром, если таковой имеется. В этой схеме используется свойство обратно смещенного стабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным при значительных изменениях протекающего через него тока (рис. 5б, обратная ветвь ВАХ стабилитрона в области U_ст). При отклонении U_вх от номинального значения почти все приращение входного напряжения падает на R_б, а выходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузки J ₂ (U _вх — const) происходит перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется J _ст) почти без изменения общего тока J ₁. Следовательно, напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле

,

где r _д – динамическое сопротивление стабилитрона.

Выходное сопротивление стабилизатора R _вых = R _б|| r_д ≈ r_д,так как r_д << R _б.

Описание макета

Макет, схема которого представлена на рис. 6, включает:

- выпрямитель, который в зависимости от положения переключателя В5,6 может работать по однополупериодной или мостовой схеме;

- LC -фильтр (L 1, C 2);

- параметрический стабилизатор (R 2, V 6);

- контрольно-измерительные приборы (I 1, V 2);

- дискретно изменяющуюся нагрузку (R 3, R 4, R 5, R 6);

- емкостную нагрузку (C 1).

Задание

1. Исследовать работу однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямителя:

а) зарисовать с осциллографа временные диаграммы напряжений на входе и выходе выпрямителей для активной (R 6) и емкостной (C 1, R 6) нагрузок;

б) снять нагрузочные)внешние) характеристики выпрямителей U ₀ = f (I ₀) с активной и емкостной нагрузками, построить графики в одной системе координат (U ₀, I ₀, показания прибора на стенде V ₁, I ₁).

2. Определить коэффициент пульсаций для одно- и двухполупериодной схем (все фильтры отключены; напряжение первой гармоники , где U – действующее значение напряжения, измеренное по выносному милливольтметру; U ₀ – постоянное напряжение – значения прибора V 1 на стенде).

3. Исследовать сглаживающее действие фильтров C 1, LC 2, C 1 LC 2 при двухполупериодном выпрямлении для минимального тока нагрузки (R _H = R ₃ = 4 кОм) и максимального тока (R _H = R ₆ = 1 кОм). Эффективность работы фильтров оценить коэффициентами пульсаций К _Пвых и сглаживания К _СГЛ.

4. Исследовать работу параметрического стабилизатора (мостовая схема выпрямителя, фильтр С 1):

а) снять нагрузочную характеристику U ₀ = f (I ₀) при U _вх = const и построить график;

б) снять зависимость U ₀ = f (U _вх) при I _o = const и рассчитать коэффициент стабилизации К _ст (U _вх — напряжение вторичной обмотки трансформатора (7.5 ¸ 14) В, имитирующее колебания напряжения сети.

Контрольные вопросы

1. Как работают однополупериодный и двухполупериодный мостовой выпрямители?

2. Каковы основные параметры выпрямителей?

3. На чем основана работа С -фильтра и что такое коэффициент сглаживания?

4. Как определяется коэффициент стабилизации стабилизатора?

5. Что такое угол отсечки и как его измерить?

6. Что такое нагрузочная характеристика, как она снимается и какие параметры можно по ней определить?

7. Объясните работу параметрического стабилизатора.

8. В чем отличие работы диода в однополупериодной и двухполупериодной мостовой схемах?

9. Чему равен угол отсечки при коротком замыкании нагрузки и при холостом ходе?

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2004. — С. 724-726, 731-732, 738-740, 751-756, 760-763.

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая Линия–Телеком, 2000. — С. 460-470, 477-486.

3. Электротехника и электроника. Книга 3. Электрические измерения и основы электроники. / Под ред. В.Г.Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — С. 198-206, 211-222.