Вторичные источники питания: Методические указания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Ульяновск 2006

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Электропреобразовательные устройства» и использованию программы «Еlectronics Workbench» для студентов дневной формы обучения специальности 21030265 и по курсу «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» для студентов дневной формы обучения специальности 21040665

Составитель В. Н. Рогов

Ульяновск 2006

УДК 621.314(076) ББК 32.84я7 В87 Рецензент директор Ульяновского филиала ИРЭ РАН, д-р техн. наук В. А. Сергеев. Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета.

Вторичные источники питания: методические указания / сост. В87 В. Н. Рогов. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 35 с. Составлены в соответствии с программами курсов «Электропреобразовательные устройства» и « Электропитание устройств и систем телекоммуникаций». Методические указания предназначены для студентов специальности «Радиотехника» для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электропреобразовательные устройства» и для студентов специальности «Сети связи и системы коммутации» для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций». Данные методические указания могут быть использованы при выполнении конструкторских расчетов вторичных источников питания РЭС в процессе курсового и дипломного проектирования. Выполнение расчетов предусматривает использование ПЭВМ. Работа подготовлена на кафедре «Радиотехника».

УДК 621.314(076) ББК 32.84я7 © В. Н. Рогов, 2006 © Оформление. УлГТУ, 2006

Общие сведения Описываемые ниже лабораторные работы составляют основную часть лабораторного практикума по дисциплине «Электропреобразовательные устройства» и «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций». Лабораторная работа выполняется в дисплейном классе с использованием ПЭВМ. Правила выполнения лабораторных работ 1. При подготовке к выполнению лабораторной работы студентам следует: • изучить теоретические вопросы, изложенные в методических указаниях; • ознакомиться с техникой безопасности при работе в дисплейном классе; • получить у преподавателя задание на выполнение лабораторной работы, которое выдается после проверки теоретической подготовки студента. 2. Лабораторные работы выполняются в соответствии с описанием и инструкцией пользователя. 3. Результаты расчетов утверждаются преподавателем. 4. Категорически запрещается использование клавиш ПЭВМ, нажатие которых не предусмотрено в инструкции пользователя. 1. Общие теоретические сведения о вторичных источниках электропитания Характерной особенностью современных радиотехнических устройств является то, что они содержат большое количество разнообразных полупроводниковых и других элементов, для питания которых требуются напряжения переменного и постоянного тока. Для получения различных напряжений постоянного тока используют выпрямители с электрическими диодами, при помощи которых переменный ток преобразуют в постоянный. Различные напряжения переменного тока получают при помощи трансформаторов. Современная радиоаппаратура обычно предъявляет высокие требования к постоянству выходных напряжений или токов выпрямителей и источников переменного тока. В связи с этим источники электропитания часто снабжаются специальными устройствами — стабилизаторами, обеспечивающими постоянство выходных напряжений или токов с определенной степенью точности. Все применяемые на практике источники электропитания радиоаппаратуры могут быть классифицированы по следующим признакам: По роду тока источники: • постоянного тока, • переменного тока.

3

По напряжению источники: • низкого напряжения (до 100 В), • среднего напряжения (100 – 1 000 В), • высокого напряжения (свыше 1 000 В). По мощности источники: • малой мощности (до 100 Вт), • средней мощности (100 – 2000 Вт), • большой мощности (более 2 000 Вт). По степени постоянства выходного напряжения источники: • нестабилизированные, • стабилизированные. Источники постоянного тока (выпрямители) различаются: по числу фаз питающей сети: • однофазные, • многофазные; по типу вентилей подразделяются на источники: • с электронными вентилями, • с ионными вентилями, • с полупроводниковыми вентилями; по схеме выпрямления: • однополупериодная, • двухполупериодная с выводом средней точки, • однофазная мостовая, • удвоения, • трехфазная с нулевым выводом, • трехфазная мостовую; по типу сглаживающего фильтра на источники : • с емкостными, • с индуктивными, • с индуктивно-емкостными, • с активно-емкостными фильтрами, по величине пульсации выпрямленного напряжения на источники: • с малыми пульсациями (до 0,1 %), • со средними пульсациями (0,1 – 2 %), • с повышенными пульсациями (свыше 2 %). Стабилизированные источники различаются: по роду тока: • стабилизаторы постоянного тока, • стабилизаторы переменного тока; по методу стабилизации: • параметрические, 4

• компенсационные, • комбинированные; по точности стабилизации (от действия всех дестабилизирующих факторов): • стабилизаторы низкой точности (5 – 2 %), • средней точности (2,0 – 0,5 %), • высокой точности (0,5 – 0,1 %), • прецизионные (менее 1– 0,1 %); по способу включения регулирующего элемента относительно нагрузки: • последовательные, • параллельные, • последовательно-параллельные; по стабилизируемому параметру: • стабилизаторы напряжения, • стабилизаторы тока; по виду регулирующего элемента стабилизаторы напряжения или тока компенсационного типа подразделяются на: • электронные (ламповые, транзисторные и тиристорные), • ионные, • дроссельные, • комбинированные (дроссельно-электронные). Приведенная классификация источников питания по напряжению, мощности, величине пульсации и точности стабилизации является условной. Требования, предъявляемые к источникам электропитания К источникам электропитания радиотехнической аппаратуры предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает получение заданных электрических параметров, а также необходимых эксплуатационных, конструктивных и производственно-технологических характеристик. Заданными электрическими параметрами являются: 1) выходное напряжение и мощность; 2) допустимый коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (для источников постоянного напряжения) ; 3) допустимая нестабильность выходного напряжения (для стабилизированных источников питания); 4) пределы регулирования выходного напряжения (для регулируемых источников питания); 5) внешняя характеристика (зависимость выходного напряжения от тока нагрузки); 6) частотная характеристика (зависимость внутреннего сопротивления от изменения частоты тока на грузки); 7) энергетические характеристики (КПД и коэффициент мощности).

5

К числу эксплуатационных требований, предъявляемых к источникам электропитания, относятся: 1) работоспособность в условиях воздействия климатических и механических факторов (температуры, давления, влажности, вибраций, ударов и др.); 2) надежность в работе, определяемая выбранными для электрической схемы элементами, их рабочими режимами, электрической схемой, конструкцией и технологией изготовления всего прибора в целом; 3) восстанавливаемость электрических параметров после снятия перегрузки или короткого замыкания; 4) обеспечение заданных выходных характеристик при смене элементов (электронных ламп, полупроводниковых приборов, сопротивлений, конденсаторов и др.); 5) простота обслуживания (т. е. управления, регулировки и ремонта); 6) безопасность обслуживания (для источников электропитания среднего и высокого напряжения). Основными конструктивами и требованиями, предъявляемыми к источникам электропитания (блокам питания) радиоаппаратуры, являются: 1) простота и удобство управления; 2) свободный доступ к элементам, узлам и приборам, входящим в блок питания; 3) удобство замены съемных элементов; 4) обеспечение отвода тепла от нагревающихся элементов блока питания; 5) минимальные габаритные размеры, вес и стоимость блока. В процессе проектирования блоков питания радиоаппаратуры должны быть учтены и производственно-технические требования, основными из которых являются: 1) максимальное использование в схеме стандартизованных и нормализованных узлов и деталей, а также элементов, освоенных производством; 2) технологичность конструкции, минимальные затраты рабочей силы и материалов на изготовление, возможность изготовления на универсальном (неспециальном) оборудовании и с использованием простых инструментов; 3) взаимозаменяемость механических и электрических узлов и деталей без их подгонки и подрегулировки; 4) возможность независимой регулировки отдельных узлов. Все перечисленные выше требования (за исключением требований обеспечения конкретных выходных электрических параметров) являются общими для любой радиоэлектронной аппаратуры. Следует отметить, что практически не всегда можно обеспечить полное выполнение всех перечисленных выше требований для любого из проектируемых устройств, так как некоторые из них являются противоречивыми. Так, например, обеспечение высокой надежности требует снижения загрузки входящих в схему элементов, что приводит к увеличению габаритных размеров и веса прибора в целом. Поэтому основной задачей разработчика является отыскание оптимального решения, при котором наряду с получением заданных 6

электрических параметров обеспечивается максимально возможное удовлетворение перечисленных выше эксплуатационных, конструктивных и производственно-технических требований.

2. Руководство пользователя программы «Electronics Workbench» Интерфейс программного комплекса Electronics Workbench Внешний интерфейс пользователя Electronics Workbench

Рис.1.1. Внешний вид экрана компьютера при работе с программой EWB

Приложение Electronics Workbench представляет собой средство программной разработки и имитации электрических цепей. Интерфейс пользователя состоит из полоски меню, панели инструментов и рабочей области. Полоса меню состоит из следующих компонент: меню работы с файлами (File), меню редактирования (Edit), меню работы с цепями (Circut), меню анализа схем (Analysis), меню работы с окнами (Window), меню работы с файлами справок (Help). Панель инструментов состоит из «быстрых кнопок», имеющих аналоги в меню, кнопок запуска и приостановки схем, набора радиоэлектронных аналоговых и цифровых деталей, индикаторов, элементов управления и инструментов. Меню File Меню File позволяет осуществить операции работы с файлами.

7

File/New Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+N. Данная операция предназначена для закрытия текущей схемы и создания новой. При этом создается безымянное окно, которое может использоваться для создания схемы. Если перед этим вы проделали какие-либо изменения текущей схемы, вам будет предложено сохранить текущую схему перед ее закрытием. При запуске Electronics workbench операция выполняется автоматически. По умолчанию схема Рис.1.2. Внешний именуется как Default.ewb. вид меню File File/Open Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+O. Операция предназначена для открытия уже существующего файла схемы. Отображает стандартное диалоговое окно открытия файла, в котором необходимо выбрать диск и каталог, содержащий файл схемы, который вы хотите открыть. Открывать можно только файлы с расширениями .ca,.сa3, .сd3, .сa4 и .Ewb. File/Save Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+S. Сохраняет текущий файл схемы. Отображается стандартное диалоговое окно сохранения файла, в котором необходимо выбрать диск и каталог, где вы хотите сохранить схему и название файла. Расширения .Ewb добавляются к имени файла автоматически. Например, схема с именем Mycir, будет сохранена как Mycir.ewb. File/Save as Команда аналогична операции Save, но сохраняет текущую схему с новым именем файла, оставляя первоначальную схему неизменной. Используйте эту команду, чтобы безопасно экспериментировать на копии схемы, без изменения оригинала. File/Revert to Saved (Revert) Эта команда восстанавливает схему в виде, который она имела в момент последнего сохранения. File/Import Команда преобразует нестандартные файлы схем (расширение .net или .сir) и преобразовывает их к стандартному виду Electronics Workbench. File/Export Сохраняет файл схемы с одним из следующих расширений: .net, .scr, .cmp, .cir, .plc.

8

File/Print Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+P. Команда предназначена для полной или частичной распечатки схемы и/или приборов. Для выполнения операции необходимо выбрать элементы, которые будут напечатаны, в порядке, в котором вы хотите их напечатать. File/Print Setup (Windows) Эта операция предназначена для настройки принтера. Отображает стандартное диалоговое окно Print Setup, из которого вы можете выбрать установленный принтер и определять ориентацию изображения, бумажный размер, бумажный источник и другие параметры. Для схем, которые по ширине больше чем по высоте, используйте альбомную ориентацию. Если схема слишком велика для печати на одном листе, печать будет автоматически производиться на нескольких страницах. File/Exit Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш ALT+F4. Операция предназначена для завершения работы с пакетом Electronics Workbench. Если вы не сохранили изменения в схеме, то будет сделан запрос на сохранение. File/Install (Windows) Операция предназначена для установки добавочных компонент Electronics workbench. Для ее выполнения будет запрошен диск, содержащий дополнительные компоненты. Меню Edit Меню Edit позволяет осуществить операции редактирования. Edit/Cut Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+X. Команда используется для удаления выбранных компонент, схем или текста. При этом выбранное помещается в буфер обмена, откуда его можно вставлять в нужное место. Команда не сработает, если выбор включает Рис.1.3. Внешний вид меню Edit. в себя инструментальные пиктограммы. Edit/Copy Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+C. Команда предназначена для копирования выбранных компонент, схемы или текста. Копия помещается в буфер обмена. Затем вы можете использовать команду Paste, чтобы вставить копию в нужном месте. Операция также не выполнится, если выбор включает инструментальные пиктограммы. Edit/Paste Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+V.

9

Команда помещает содержание Буфера обмена в активное окно (содержание остается в Буфере обмена). Для успешного выполнения операции Буфер должен содержать компоненты Electronics Workbench или текст. Содержимое Буфера обмена может вставляться только в окна, способные содержать подобную информацию. Например, вы не можете вставить компонент электрической схемы в окно описания. Edit/Delete Операцию также можно вызвать нажатием клавиши DEL. Эта команда полностью удаляет выбранные компоненты или текст. Используйте команду Delete с осторожностью. Удаленная информация не может быть восстановлена. Edit/Select All Команда выбирает все элементы в активном окне (окно схемы, окно подсхемы или окно описания). Если прибор — часть выбора, команды Edit/Copy и Edit/Paste становятся недоступными. Для того чтобы выбрать все, кроме нескольких элементов, используйте команду Select All, и затем снимите выделение с лишних элементов, нажимая CTRL с левой кнопкой мыши. Edit/Copy as Bitmap Команда предназначена для копирования растрового изображения элементов в Буфер обмена. Вы можете использовать эти изображения в текстовых процессорах или программах обработки изображений. Чтобы скопировать растровое изображение элементов, необходимо: а) выбрать Edit/Copy as Bitmap (курсор изменится на crosshair), б) нажать и удерживать кнопку мыши, перемещая курсор, чтобы сформировать прямоугольник, включающий необходимые для копирования элементы, в) отпустить кнопку мыши. Edit/Show Clipboard Команда отображает содержание Буфера обмена. Буфер обмена — временное место хранения для компонентов или текста, которые вы хотите поместить позже в другом месте в схеме. Вы можете также использовать Буфер обмена, чтобы передать информацию от Electronics workbench к другой прикладной программе. Буфер обмена может содержать графику (компоненты или схемы) и текст. Если активное окно не может содержать тип информации, которая находится на Буфере обмена, или если Буфер обмена пуст, команда Edit/Paste будет не доступна. Например, если Буфер обмена содержит компоненты, а текущим является окно описания, команда Paste буРис.1.4. Внешний вид меню Circuit дет недоступна. Чтобы закрыть Буфер обмена, дважды щелкните меню Control(Windows). Меню Circut Меню Circut позволяет осуществить операции работы с цепями. 10

Circuit/Rotate Операцию также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+R. Команда позволяет вращать выбранные компоненты на 90 градусов по часовой стрелке. Текст, связанный с компонентом (метки, значения и информация о модели), может быть повторно установлен, но при выполнении команды не вращается. В случае необходимости провода, приложенные к компоненту, перенаправляются автоматически. Когда вы вращаете амперметр и вольтметр, вращаются только их терминалы. Circuit/Flip Vertical Команда зеркально отражает выбранную схему по вертикали в окне схемы. Обратите внимание, любые провода, приложенные к зеркально отражаемому компоненту перенаправляются по мере необходимости. Текст, связанный с компонентом (метки, значения и информация о модели), может быть повторно установлен, но не отражается. Circuit/Flip Horizontal Команда зеркально отражает выбранную схему по горизонтали в окне схемы. Любые провода, приложенные к зеркально отражаемому компоненту, перенаправляются по мере необходимости. Текст, связанный с компонентом (метки, значения и информация о модели), может быть повторно установлен, но не отражается. Circuit/Component Properties Команда предназначена для изменения свойств выбранного компонента. Также выводится при двойном нажатии на компоненте. При вызове с помощью всплывающего меню, после нажатия правой кнопкой мыши, назначаются заданные по умолчанию свойства для всех выбранных компонентов, впоследствии используемых в этой схеме. Это не воздействует на уже размещенные компоненты. При выполнении команды открывается диалоговое окно Circuit/Component Properties, закладки которого зависят от типа выбранного компонента. Возможны следующие типы закладок: • Label, • Value, • Models, • Schematic Options, • Fault, • Node, • Display, • Analysis Setup. Закладка Label (Свойства компонента) Закладку также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+L. Используйте эту закладку, чтобы установить или заменить метку компонента и идентификатор (компоненты типа соединителей, заземлений, измерителей не имеют идентификаторов).

11

Если вы вращаете или зеркально отражаете компонент, метка может быть установлена повторно. Если в результате провод проходит через метку, вы можете сдвинуть метку направо, добавляя несколько пробелов перед меткой. Чтобы вставить общую информацию в схему, введите текст в окно описания, доступное из меню Window. Обратите внимание, идентификаторы назначаются системой, уникально идентифицируя компонент. Вы можете изменять их в случае необходимости, но они должны оставаться уникальными. Идентификаторы не могут быть удалены. Value Tab (Свойства компонента) Закладку также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+U. Поля на этой закладке различаются в зависимости от компонента. Закладка Models (Свойства компонента) Закладку также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+М. Используйте эту закладку, чтобы выбрать модель, используемую для компонента и для редактирования, добавления или удаления моделей или библиотек. Компоненты по умолчанию «идеальны», что для большинства схемотехнических моделирований может быть достаточным. Однако, если вы хотите увеличить точность результатов теста, используйте «реальную» модель. Закладка Schematic Options (Свойства компонента) Закладка используется, чтобы установить цвет провода. Закладка Fault (Свойства компонента) Закладку также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+F. Используйте эту закладку, чтобы назначить неисправность на терминал компонента. Leakage – помещает значение сопротивления, определенное в смежных полях, параллельно с выбранными терминалами. Это заставляет ток течь мимо терминалов вместо того, чтобы пройти их. Short – помещает очень низкое сопротивление между двумя терминалами, так что компонент не имеет никакого измеримого эффекта на схеме. Open – помещает очень высокое сопротивление на терминале, как будто проводное соединение на терминал было разбито. Закладка Node (Свойства компонента) Закладка используется для изменения свойств узла. Node ID – назначенное системой имя узла. Use as Testpoint — определяет, должен ли узел рассматриваться как тестовая точка. Set Node Color – отменяет набор цветов для отдельных проводов. Закладка Display (Свойства компонента) Закладка используется для отображения/скрытия тех или иных элементов Electronics Workbench. Когда выбрано Use Schematic Options, используются настройки параметров дисплея из закладки Show/Hide диалогового окна Circuit/Schematic Options. Show labels, Show models, Show reference ID, когда не выбрано Use Schematic Options, используются параметры дисплея как они были определены. 12

Закладка Setup (Свойства компонента) Закладка используется для настройки параметров элементов, таких как рабочая температура. Use global temperature – если выбрано, используется набор температур установленный в Analysis/Analysis Options. Если не выбрано, используются те температуры, которые были определены. Set initial conditions – устанавливает начальные значения для компонента. Некоторые компоненты отображают дополнительные параметры на этой закладке, для использования вместе с параметрами, описанными в техническом справочнике Electronics Workbench. Circuit/Create Subcircuit Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+B. Команда объединяет выбранные элементы схемы в подсхему, в действительности создавая интегральную схему. Подсхема может содержать так много компонентов, как требуется. Любая подача проводов к другим компонентам или соединителям в схеме станет терминалами на пиктограмме подсхемы. Чтобы создать подсхему: а) выберите элементы, которые нужно использовать для подсхемы; б) выберите Circuit/Create Subcircuit и завершите диалог, который появляется: Copy from Circuit – помещает копию выбранных компонентов в подсхеме. Первоначальные компоненты остаются, поскольку они находятся в окне схемы. Move from Circuit – удаляет выбранные компоненты из схемы, так что они появляются только в подсхеме. Replace in Circuit – помещает выбранные компоненты в подсхему и заменяет выбранные компоненты в схеме прямоугольником, помеченным именем подсхемы. Выбранные компоненты появляются в новом окне, окне подсхемы. Имя новой подсхемы добавляется к списку доступных подсхем, который отображается, когда пиктограмма подсхемы перемещаться из инструментальной панели Favorites. Подсхема доступна только для текущей схемы. Circuit/Zoom Команда отображает подменю выбора для увеличения или уменьшения размера дисплея окна схемы. Circuit/Schematic Options Команда предназначена для управления всем дисплеем схемы. Изменения относятся только к текущей схеме. В окне команды выводится следующий набор закладок: • Grid, • Show/Hide, • Display, • Value.

13

Закладка Grid Закладка управляет дисплеем и использованием сетки, лежащей в основе окна схемы. Использование сетки упрощает выравнивание элементов в схеме. Вы можете использовать сетку без ее отображения. Отображение сетки осуществляется на заднем плане окна схемы. Сетку удобно использовать при расстановке объектов. Закладка Show/Hide Закладка управляет дисплеем информации в окне схемы. Ее параметры полезно использовать, когда нужно скрыть объект. Закладка Display Закладка управляет шрифтом, используемым для меток и ссылок на идентификаторы. Закладка Value Закладка управляет шрифтом, используемым для значений и моделей. Меню Analysis Меню Analysis позволяет выполнить различные анализы. Внешний вид меню приведен на рисунке 2.5. Перед выполнением каждого из них пользователю будет предложено заполнить параметров анализа. Анализ будет выполнен только в том случае, когда это возможно для данной схемы. Analysis/Activate Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+G. Команда активизирует схему (включает переключатель питания). Активизация схемы начинает последовательность математических операций, чтобы вычислить значения для тестовых точек в схеме. Переключатель питания остается включенным, пока вы не останавливаете или не приРис.1.5. Внешний вид останавливаете моделирование. меню Analysis Analysis/Pause and Analysis/Resume Команду также можно вызвать нажатием клавиши F9. Команда временно прерывает или продолжает моделирование (управляется кнопкой Pause/Resume). Приостановка полезна, если вы хотите рассмотреть форму волны (форму кривой, форму сигнала) или сделать изменения в инструментальных настройках. (Имитация простых схем может оказаться слишком быстрой для приостановки). Analysis/Stop Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+T.

14

Команда вручную останавливает моделирование. Имеет тот же самый эффект как щелчок переключателя питания. Обратите внимание, что выключение энергии стирает данные и инструментальные следы и сбрасывает все значения к начальным. Analysis/Analysis Options Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+Y. Electronics Workbench позволяет вам управлять многими аспектами моделирования, типа сброса терпимости ошибки, выбор методов моделирования и просмотра результатов. Эффективность моделирования также зависит от параметров, которые вы выбираете. Большинство параметров имеет значения по умолчанию. Чтобы рассмотреть или изменить любые из параметров, выберите Analysis/Analysis Options. Analysis/DC Operating Point Команда выполняет анализ DC Operating Point. Analysis/AC Frequency Команда выполняет анализ AC Frequency. Analysis/Transient Команда выполняет анализ Transient. Analysis/Fourier Команда выполняет анализ Fourier. Analysis/Noise Команда выполняет анализ Noise. Analysis//Distortion Команда выполняет анализ Distortion. Analysis/Parameter Sweep Команда выполняет анализ Parameter Sweep. Analysis/Temperature Sweep Команда выполняет анализ Temperature Sweep. Analysis/Pole-Zero Команда выполняет анализ Pole-Zero. Analysis/Transfer Function Команда выполняет анализ Transfer Function. Analysis/Sensitivity Команда выполняет анализ Sensitivity. Analysis/Worst Case Команда выполняет анализ Worst Case. Analysis/Monte Carlo Команда выполняет анализ Monte Carlo. Analysis/Display Graph Команда выводит графические результаты анализа. Window Menu Меню Window позволяет осуществить операции работы с окнами.

15

Window/Arrange Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+W. Команда аккуратно расставляет открытые окна.

Рис.1.6. Внешний вид Window

меню

Рис.1.7. Внешний вид меню Help

Window/Circuit Команда переносит окно схемы на передний план. Window/Description Команду также можно вызвать одновременным нажатием клавиш CTRL+D. Команда открывает окно описания. (Если окно описания уже открыто, переносит его на передний план). Вы можете напечатать комментарии или указания в окне описания, а также вставить текст из другой прикладной программы или описания схемы. Меню Help Меню Help предоставляет вызов файла-справки. Вызов справки также можно осуществить нажатием клавиши F1. Порядок проведения работы для разработки принципиальной электрической схемы 1) Запустите Electronics Workbench. 2) Подготовьте новый файл для работы. Для этого необходимо выполнить следующие операции из меню: File/New и File/Save as. При выполнении операции Save as будет необходимо указать имя файла и каталог, в котором будет храниться схема. Рекомендуется называть схему по фамилии исполнителя. 3) Перенесите необходимые элементы из заданной преподавателем схемы на рабочую область Electronics Workbench. Для этого необходимо выбрать раздел на панели инструментов (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в котором находится нужный вам элемент, затем перенести его на рабочую область. 4) Соедините контакты элементов и расположите элементы в рабочей области для получения необходимой вам схемы. Для соединения двух контактов необходимо щелкнуть по одному из контактов основной кнопкой

16

5) 6)

7) 8)

мыши и, не отпуская клавишу, довести курсор до второго контакта. В случае необходимости можно добавить дополнительные узлы (разветвления). Нажатием на элементе правой кнопкой мыши можно получить быстрый доступ к простейшим операциям над положением элемента, таким как вращение (rotate), разворот (flip), копирование/вырезание (copy/cut), вставка (paste). Проставьте необходимые номиналы и свойства каждому элементу. Для этого нужно дважды щелкнуть мышью на элементе. Когда схема собрана и готова к запуску, нажмите кнопку включения питания на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (замыкание элемента питания накоротко, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение. Произведите анализ схемы, используя инструменты индикации. Вывод терминала осуществляется двойным нажатием клавиши мыши на элементе. В случае надобности можно пользоваться кнопкой Pause. При необходимости произведите доступные анализы в разделе меню Analysis.

17

Лабораторная работа №1 «Выпрямители переменного напряжения» Цель работы: − Исследование работы выпрямителей переменного напряжения на примере схем: однополупериодной, двухполупериодной со средней точкой, однофазной мостовой. Сведения из теории: Выбор той или иной схемы источника напряжения вторичного питания обусловлен параметрами питающей сети, требованиями к выходным электрическим параметрам, конструктивными особенностями устройства, температурным диапазоном работы, сроком службы, гарантированной надежностью и перечнем разрешенных к применению или имеющихся в распоряжении разработчика элементов. Выбор схемы, удовлетворяющей поставленным требованиям, является задачей, имеющей множество решений. В зависимости от мощности, напряжения, допустимой пульсации и т. д. применяются различные схемы выпрямления. Однополупериодная схема является простейшей схемой выпрямителя. Из-за низкого коэффициента использования выпрямительного трансформатора полной величины коэффициента пульсации (сглаживание пульсации осуществляется включенной на выход выпрямителя емкостью или П-образным CRCфильтром). Эта схема, хотя и применяется в некоторых случаях для выпрямленных напряжений до нескольких сотен вольт, при токах в нагрузке до 10 мА и нежестких требованиях (десятые доли процента) к пульсации широкого распространения не получила. Рис. 2.1 Однополупериодная схема

Двухполупериодная схема с выводом средней точки дает несколько больший коэффициент использования выпрямительного трансформатора и меньшую по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя пульсацию вдвое большей частоты тока питающей сети. Двухполупериодный выпрямитель применяют для получения выпрямленных напряжений до нескольких сотен вольт при токах нагрузки до нескольких сотен миллиампер. Фильтр выпрямителя может быть как с емкостной (ток нагрузки до 200 – 300 мА), так и с индуктивной реакцией. При высоких напряжениях в двухполупериодных выпрямителях часто применяют двуханодные кенотроны. Для получения выпрямленных напряжений в несколько десятков вольт при токах нагрузки до нескольких десятков миллиампер целесообразно применение двухполупериодной схемы с полупроводниковыми вентилями. По сравнению с однофазной мостовой схемой здесь получается выигрыш в количестве вентилей.

18

Рис. 2. 2. Двухполупериодная схема

Однофазная мостовая схема находит наиболее широкое применение при питании от однофазной сети. Обычно эта схема выполняется на полупроводниковых вентилях. Следовательно, для этой схемы необходимо минимум четыре вентиля. Обратное напряжение, приходящееся на каждый вентиль, и напряжение вторичной обмотки трансформатора при этой схеме примерно в 2 раза меньше, чем в двухполупериодной схеме. Коэффициент использования выпрямительного трансформатора высок и достигает 0,9 при фильтре с индуктивной реакцией. Величина и частота первой гармоники пульсации здесь такие же, как в схеме двухполупериодного выпрямителя. Однофазную мостовую схему выпрямителя используют для получения выпрямленных напряжений до нескольких сотен вольт при токах в нагрузке до сотен ампер.

Рис. 2.3. Однофазная мостовая схема

Схема удвоения напряжения используется для получения высоких напряжений (до нескольких десятков киловольт) при небольших (до десятков миллиампер) значениях тока нагрузки. По сравнению с однополупериодной схемой схема удвоения имеет лучший коэффициент использования трансформатора. Эта схема при одном и том же значении выпрямленного напряжения имеет примерно в 2 раза меньшее напряжение на вторичной обмотке выпрямительного трансформатора и соответственно вдвое меньшее обратное напряжение на вентиле. В качестве вентилей в схеме удвоения в основном используются полупроводниковые диоды. Пульсация на выходе выпрямителя имеет частоту, равную удвоенной частоте тока питающей сети. 19

Рис. 2.4. Схема удвоения

Трехфазная схема дает сравнительно низкий коэффициент использования выпрямительного трансформатора. Ее преимущество по сравнению с однофазными схемами заключается в равномерной загрузке фаз трехфазной сети, меньшей величине пульсации и в том, что частота пульсации равна утроенной частоте тока питающей сети. Данная схема не находит широкого применения. Трехфазная мостовая схема включается в трехфазную сеть переменного тока, обеспечивая равномерную загрузку ее. Она находит применение для получения как низких, так и высоких напряжений при токах в нагрузке от сотен миллиампер до десятков и даже сотен ампер. Трехфазная мостовая схема является энергетически наиболее экономичной; обратное напряжение, приходящееся на вентиль, в этой схеме примерно равно величине выходного напряжения выпрямителя; пульсация (на входе LC-фильтра или при отсутствии его) составляет теоретически 5,7% величины выпрямленного напряжения при частоте, равной ушестеренной частоте напряжения питающей сети. Однако практически даже при симметричной питающей сети трехфазного тока пульсация достигает 10 – 12 % вследствие неизбежной асимметрии напряжений на зажимах вторичных обмоток трансформатора. Разработка той или иной схемы выпрямителя включает в себя выбор и расчет схемы и ее элементов (выпрямительного трансформатора, вентилей, фильтра и устройств регулировки включения, контроля работы и защиты). При выборе схемы и расчете выпрямителей особое внимание должно быть обращено на следующие специфические особенности: 1. При работе выпрямителя на фильтр с емкостной реакцией величина действующего значения тока через вентиль не должна превышать 1,57 Iов, где Iов – допустимое для выбранного типа вентиля среднее значение тока, указанное в ТУ на него.

Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться со сведениями из теории и правилами работы с программным комплексом Electronis WorkBench. Изучить методику расчета выпрямителей переменного напряжения.

20

2. Запустить программу Electronics WorkBench. 3. Открыть файл со схемой однополупериодного выпрямителя. 4. С помощью Oscilloscope сравнить напряжение на выходе источника питания с напряжением на нагрузке, при различных значениях выходного напряжения в источнике. 5. Повторить действия 2 – 4 на примере схем: двухполупериодной со средней точкой, однофазной мостовой. 6. Подготовить отчет по проделанному практикуму.

Содержание отчёта 1. 2. 3. 4.

Цель работы. Схемы выпрямителей. Графики зависимостей напряжения. Выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы 1. Что такое выпрямители и для чего они нужны? 2. Виды выпрямителей. 3. Как влияет характер нагрузки, включенной на выходе выпрямителя, на форму тока в схеме выпрямителя? 4. В чем отличие между двухполупериодной со средней точкой и однофазной мостовой схемами?

21

Лабораторная работа №2 «Емкостные и индуктивные сглаживающие фильтры» Цель работы: − Исследование работы емкостных и индуктивных сглаживающих фильтров. Сведения из теории: Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры (СФ) – устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. СФ бывают активные и пассивные. Простейшим СФ является, конденсатор, включаемый параллельно нагрузке. Также можно поставить катушку индуктивности (дроссель), но уже последовательно с нагрузкой, а можно комбинировать. Емкостный фильтр. Емкостный сглаживающий фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке. Как же происходит сглаживание этих самых пульсаций? Рассмотрим форму выходного напряжения, скажем, однополупериодного выпрямителя, показанную на рис. 3.2. На рисунке Uср – это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видно из рис. 3.2, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное большие пульсации. Теперь следует установить параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано на рис.3.1. Установив осциллограф параллельно нагрузке можно увидеть картину, показанную на рис. 3.3. Рис. 3.1. Пример выпрямителя с простейшим сглаживающим фильтром

Рис. 3.3. Форма выходного напряжения выпрямителя со сглаживающим фильтром

Рис. 3.2. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя

22

Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться – короткий отрезок «пилы» на рисунке. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку – длинный отрезок пилы. При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Естественно, что размах амплитуды «пилы», а это тоже пульсации, напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше емкость, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации. Процесс фильтрации можно объяснить и иначе. Считается, что выходное напряжение выпрямителя содержит постоянную и переменную составляющие. Поскольку емкостное сопротивление конденсатора есть X = 1 / ωC, где ω = 2πf, то нетрудно заметить, что при увеличении емкости сопротивление уменьшается. Аналогично и для частоты. Но для постоянного тока частота равна 0, значит емкостное сопротивление будет стремиться к бесконечности. Таким образом, переменная составляющая проходит через конденсатор и замыкается на общий провод, не попадая в нагрузку, тогда как постоянная составляющая полностью выделяется в нагрузке. Индуктивный фильтр Индуктивный фильтр - это катушка индуктивности (дроссель), включенная последовательно с нагрузкой. Воспользуемся схемой выпрямителя, изображенной на рис.3.2. и последовательно нагрузке установим дроссель. При протекании тока через индуктивность происходит накопление энергии. Затем энергия выделяется в нагрузке и т. д. В другом аспекте: поскольку катушка обладает индуктивным сопротивлением, равным X = ωL, то нетрудно заметить, что при увеличении частоты сопротивление также пропорционально увеличивается. Аналогично для индуктивности. Поскольку для постоянного тока частота равна нулю, то и сопротивление будет равным нулю. Другими словами, индуктивность не пропускает переменной составляющей в нагрузку, тогда как постоянная составляющая беспрепятственно проходит через индуктивность. Чаще емкостной и индуктивный фильтр комбинируют и получают так называемый LC-фильтр. Сначала подавляются пульсации в индуктивности, затем остальное в конденсаторе или наоборот. Такие фильтры называют Г-образными. Причем можно построить многозвенные фильтры. Например, вначале дроссель, затем конденсатор, опять дроссель – Т-образный фильтр. Или конденсатор, дроссель, конденсатор – П-образный фильтр и т. д. LC-фильтры обладают существенными недостатками. Во-первых, это массогабаритные показатели. Конденсатор большой емкости будет не таким уж маленьким. Да и индуктивность тоже. Во-вторых, для LC-фильтров характерно наличие внешних магнитных полей, а это неблагоприятно сказывается на чувствительных узлах аппаратуры.

23

Помимо LC-фильтров существуют RC-фильтры. У них меньше габариты и масса, нет паразитных магнитных полей, но и максимальный ток нагрузки такого фильтра очень низкий – 10-15 мА.

Порядок выполнения работы 1. Изучить теоретические сведения по теме «Емкостные и индуктивные сглаживающие фильтры». 2. Запустить программу Electronics WorkBench. 3. Открыть файл со схемой емкостного СФ. 4. При разных номиналах С1 замерить уровень пульсаций на нагрузке (не менее трех замеров). 5. Зарисовать графики с осциллографа. 6. Повторить пункты 3 – 5 с использованием индуктивного сглаживающего фильтра (изменять номиналы L1). 7. Подготовить отчет по проделанному практикуму

Содержание отчёта 1. 2. 3. 4.

Цель работы. Схемы СФ. Графики зависимостей напряжения при различных номиналах C1 / L1. Выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы 1. Для чего применяются сглаживающие фильтры? 2. Как происходит сглаживание пульсаций сигнала? 3. От чего зависит размах амплитуды пилы в индуктивном СФ? 4. Что представляет собой индуктивный СФ и принцип его работы?

5. Какие фильтры называют Г-образными?

24

Лабораторная работа №3 «Транзисторные сглаживающие фильтры» Цель работы: − Исследование работы транзисторных сглаживающих фильтров. Сведения из теории: Уменьшить массогабаритные показатели можно, используя транзисторные СФ, вместо громоздких LC-фильтров. Но выигрыш транзисторных фильтров компенсируется меньшим КПД. Рассмотрим типичные схемы транзисторных фильтров. На рисунке 4.1 представлена схема наиболее простого транзисторного фильтра. На коллектор транзистора VT поступает напряжение с выпрямителя с большой амплитудой пульсаций. Цепь базы питается через интегрирующую цепь RC. Данная цепочка сглаживает пульсации на базе транзистора. В принципе, эту Рис. 4.1. Простейший цепь можно представить, как RC-фильтр. Чем транзисторный фильтр больше постоянная времени τ = RC, тем меньше пульсации напряжения на базе транзистора. А поскольку транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, то на выходе напряжение будет повторять напряжение на базе, т. е. пульсации будут столь же малыми, как и на базе. Емкость конденсатора С может быть в несколько раз меньше (примерно в h21э раз), чем в LC-фильтре, поскольку базовый ток намного меньше выходного тока фильтра, т. е. коллекторного тока транзистора. Основное достоинство схемы - простота. Недостатки: 1. Противоречивые требования к сопротивлению резистора R – для уменьшения пульсаций следует увеличивать сопротивление, для повышения КПД – уменьшать. 2. Сильная зависимость параметров от температуры, тока нагрузки, коэффициента передачи тока базы транзистора (h21э). Обычно резистор подбирают экспериментально.

Рис. 4.2. Схема транзисторного СФ с внешним питанием

Рис. 4.3. Фильтр с делителем напряжения

25

Несколько иная схема, приведенная на рисунке 4.2. В такой схеме цепь базы транзистора запитывается от отдельного источника с напряжением, больше входного. Схема обладает меньшими пульсациями. Поскольку база питается от отдельного источника, сопротивление резистора можно увеличить и, следовательно, уменьшить пульсации выходного напряжения. Мощность, выделяемая на резисторе R, мала, так как ток базы мал. Тем не менее, этой схеме присущи те же недостатки, что и предыдущей. Кроме того, в таком фильтре транзистор может войти в насыщение, и все пульсации с входа фильтра без ограничений будут передаваться на выход. В этот режим транзистор войдет, когда напряжение на базе превысит напряжение на коллекторе. На рисунке 4.3 приведена схема транзисторного СФ, лишенная вышеуказанных недостатков. Ток через делитель R1R2 выбирается большим в 5–10 раз, по сравнению с током, ответвляющимся в базу. Поэтому выходное напряжение фильтра определяется распределением входного напряжения на делителе. Недостатки фильтра – меньший КПД по сравнению с предыдущими схемами. К тому же необходимо увеличивать емкость конРис. 4.4. Транзисторный денсатора С1 для получения приемлемых сглаживающий фильтр пульсаций. В завершение практическая схема транзисторного сглаживающего фильтра, по КПД и пульсациям близкого к LC-фильтрам, но превосходящего их по массогабаритным показателям. Схема приведена на рисунке 4.4. На коллектор транзистора VT1 поступает входное напряжение с большими пульсациями, на базу через резистор R1 напряжение от отдельного источника, по значению больше входного. Конденсатор С1 заряжается до тех пор, пока напряжение на нем не станет больше входного на величину прямого напряжения на диоде VD1, т. е. Uпр.VD1.Конденсатор С1 начинает разряжаться через отпертый диод VD1, транзистор VT1 и нагрузку. Разряжаться конденсатор будет, пока входное напряжение вновь не станет увеличиваться. Диоды VD2, VD3 смещают уровень постоянной составляющей. Кроме того, диод VD2 выполняет функции ключа в пиковом детекторе VD2C2. Поскольку ток базы довольно мал и конденсатор разряжается только через цепь базы, то пульсации на нем будут меньше, чем на С1. Следовательно, и на выходе пульсации будут незначительны. В качестве транзистора используется КТ827А. Можно заменить его на составной из КТ815 и КТ819. При входном напряжении 14 – 15 В с уровнем пульсаций 2,5 – 3 В и напряжении на базе 18 – 20 В при токе нагрузки 2 А выходное напряжение 12,5 В с уровнем пульсаций 40 мВ.

26

Порядок выполнения работы 1. Изучить теоретические сведения по теме «Емкостные и транзисторные сглаживающие фильтры». 2. Запустить программу Electronics WorkBench. 3. Открыть файл со схемой транзисторного СФ. 4. При различных номиналах R1 и С1 замерить уровень пульсаций на нагрузке (не менее трех замеров). 5. Зарисовать графики с осциллографа. 6. Повторить пункты 3–5 с использованием транзисторного сглаживающего фильтра с делителем напряжения (изменять номиналы L1). 7. Подготовить отчет по проделанному практикуму.

Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Схемы СФ. 3. Графики зависимостей напряжения при различных номиналах для каждой схемы. 4. Выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы 1. В чем преимущество транзисторных фильтров перед LC-фильтрами? 2. Объясните принцип работы транзисторного СФ, изображенного на рис.4.1.? 3. Как получить приемлемые пульсации на выходе транзисторного СФ с делителем напряжения? 4. Схема СФ с внешним питанием, «+» и «-» данной схемы? Обоснуйте ответ.

27

Лабораторная работа №4 «Стабилизаторы напряжения» Цель работы: − На примере схемы компенсационного стабилизатора исследовать принципы работы стабилизаторов напряжения. Сведения из теории: Стабилизатором напряжения (СТН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения – это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов. Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей – стабилитрона. Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 5.1. В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначиРис. 5.1. Параметрический тельно. Входное напряжение через ограничистабилизатор напряжения тельный резистор Rбал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение Uвх передается на Rн, что приводит к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резисторе. Часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника гуляет (т. е. нестабильно), а сопротивление нагрузки постоянно. Для нормального режима стабилизации сопротивление резистора Rогр должно иметь определенное значение. Если напряжение Uвх гуляет от Umin до Umax, то для расчета Rогр можно воспользоваться формулой: Rогр = (Uвх.ср - Uст)/(Iср + Iн), где Uвх.ср = 0,5(Uвх.min + Uвх.max) – среднее значение напряжения источника, Iср. = 0,5(Imin + Imax) – средний ток стабилитрона, Iн = Uн/Rн - ток нагрузки.

28

При изменении входного напряжения в ту или иную сторону будет изменяться ток стабилитрона, на напряжение на нем, следовательно, и на нагрузке будет оставаться постоянным. Исходя из того, что все изменения напряжения источника гасятся в Rогр, то наибольшее изменение напряжения (Uвх. max - Uвх.min = ∆Uвх) должно соответствовать наиболее возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация (Imax – Imin = ∆Iст). Отсюда следует, что стабилизация будет осуществляется только при соблюдении условия: ∆Uвх = ∆IстRогр Бывает режим стабилизации, когда входное напряжение постоянно, а сопротивление нагрузки изменяется, т. е. гуляет от Rн.min до Rн.max. Для такого режима Rогр определяется по формуле Rогр = (Uвх - Uст)/(Iср + Iн.ср), где Iн.ср = 0,5(Iн.min + Iн.max), причем Iн.min = Uст/Rн.max, а Iн.max = Uст/Rн.min. Иногда необходимо получить такое напряжение, на которое стабилитрон не рассчитан. В этом случае применяют последовательное соединение стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет соответствовать сумме напряжений стабилизаций последовательно включенных стабилитронов. Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов, т. е. берут несколько вышерассмотренных схем и включают одну за другой. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больРис. 5.2. Параметрический стабилизатор ше, чем следующего. Такие схемы напряжения с усилителем мощности применяют для увеличения коэффициента стабилизации. Существует и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоретически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности. Следует помнить, что большой мощности с вышерассмотренной схемы не снять. В связи с этим применяют схему, показанную на рис. 5.2. Схема достаточно проста. Просто нагрузку подключили через транзистор, включенный по схеме с общим коллектором, выполняющим роль усилителя мощности. Такая схема при малых и средних токах нагрузки работает как стабилизатор, а при больших токах нагрузки – как транзисторный фильтр (если параллельно стабилитрону поставить конденсатор). Если параллельно стабилитрону установить переменный (подстроечный) резистор, то выходное напряжение становиться регулируемым. Для уменьшения высокочастотной (ВЧ) составляющей выходного напряжения параллельно нагрузке устанавливают конденсатор емкостью 0,01...1 мкФ. Это касается любых источников питания.

29

Тип транзистора в схеме на рис. 5.2 выбирается из учета мощности нагрузки. Например, для питания усилителя (особенно большой мощности), когда ток нагрузки велик, используют составной транзистор. Подключение составного транзистора происходит следующим образом: берут два (или больше) транзистора и коллектор или эмиттер одного подключают к базе другого, а оставшийся вывод первого транзистора соединяют с оставшимся выводом следующего. Рис. 5.3. Составные транзисторы У составного транзистора коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи каждого транзистора. Итак, для больших токов используют составные транзисторы, для питания небольшого числа микросхем подойдет транзистор средней и малой мощности. Компенсационные стабилизаторы напряжения Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Для общего представления рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа (см. рис. 5.4). РЭ – это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой); СУ – схема управления (собственно управляет работой РЭ). Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача - усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д – делитель напряжения, ИОН – источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и

Рис. 5.4. КСН последовательного типа

Рис.5.5. КСН параллельного типа

30

делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). По виду включения РЭ (последовательно с нагрузкой) схема называется последовательная. Источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную стоРис.5.6. Принципиальная рону. Сигнал с делителя напряжения подается схема КСН на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их. Параллельную схему КСН рассмотрим только в структуре, она приведена на рис. 5.5. Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ, вызывающее изменение падения напряжения на балластном резисторе. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство – при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети. Типичная схема приведена на рис. 5.6. Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резистором R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из резисторов R2-R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который, сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим Рис. 5.7. КСН работы, то сопротивление его перехода

31

изменяется, и напряжение на нагрузке остается постоянным. С помощью резистора R3 можно регулировать выходное напряжение. В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1– 0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы. Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются. Защита от КЗ кратковременная. На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резистором между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах. Эта схема блока питания магнитофона-приставки «Карат МП-201С» и, как видно, отличие состоит лишь в конденсаторах и резисторе R1. Резистором R4 подстраивают выходное напряжение. Подбирая стабилитрон VD1, можно изменять выходное напряжение. При этом надо менять сопротивление резистора R1. Одной из разновидностей схем такого рода является так называемая схема с «холодным» коллектором. Ее отличием является то, что регулирующий транзистор включается в цепь общего провода, а не «горячего». А это значит, что изолировать транзистор от радиатора или радиатор от корпуса устройства не надо, чего не скажешь о схемах на Рис. 5.8. КСН с «холодным» коллектором рисунках 5.6 и 5.7. В этих схемах транзисторы выгорают, если забыли изолировать коллектор. На рис. 5.8. данная схема и изображена (журнала «Радио» №12/1984). Анализ показывает, что нет практически никаких отличий от предыдущей схемы. В качестве регулирующего, использован составной транзистор КТ827А. Его можно легко заменить двумя – КТ815 и КТ819. Недостаток схемы – меньший ток нагрузки, нежели у схемы на рисунке 5.7. Для такого стабилизатора необходим отдельный выпрямитель. Другими словами, если нужно несколько стабилизаторов, то для каждого мы вынуждены будем установить свой выпрямитель. Но все регулирующие транзисторы можно поставить на один теплоотвод, не изолируя их.

32

Порядок выполнения работы 1. Изучить теоретические сведения по теме емкостные и «Транзисторные сглаживающие фильтры». 2. Запустить программу Electronics WorkBench. 3. Открыть файл со схемой компенсационного стабилизатора. 4. При различных номиналах R1 замерить уровень пульсаций на нагрузке (не менее двух замеров). 5. Зарисовать графики с осциллографа. 6. Подготовить отчет по проделанному практикуму

Содержание отчёта 1. Цель работы. 2. Схема стабилизатора. 3. Графики зависимостей напряжения при различных номиналах для каждой схемы. 4. Выводы по проделанной работе.

Контрольные вопросы 1. Виды стабилизаторов. 2. Что такое стабилитрон? 3. Чем определяется максимальный ток нагрузки компенсационного стабилизатора? 4. Чему равен коэффициент передачи составного транзистора? 5. Зарисуйте блок-схему КСН и опишите ее.

33

Библиографический список 1. 2. 3. 4.

Полупроводниковые выпрямители / под ред. Ф.И. Ковалева и Г. П. Мостковой. – М.: Энергия, 1978. Источники электропитания РЭА : Справочник / под ред. Г. С. Найвельта. – М.: Радио и связь, 1985. Иванов - Цыганов, А. И. Электротехнические устройства радиосистем / А. И. Иванов - Цыганов. – М.: Высшая школа, 1979. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / под ред. С. Д. Додика и Е. И. Гальперина – М.: Советское радио, 1969.

34

СОДЕРЖАНИЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ………………………………………………………….. 3 ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ………………… 3 1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ …………………………………….. 3 2. РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОГРАММЫ «ELECTRONICS WORKBENCH» ……………………………………………. 7 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ВЫПРЯМИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ» ………………… 18 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 «ЕМКОСТНЫЕ И ИНДУКТИВНЫЕ СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ» ………………………………………….. 22 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «ТРАНЗИСТОРНЫЕ СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ» ……………….. 25 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ» ……………………………………. 28 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ………………………………………. 34

35

Учебное издание

ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Методические указания Составитель РОГОВ Виктор Николаевич Редакор Н. А. Евдокимова Подписано в печать 30.06.2006 Формат 60×84/16. Бумага писчая. Печать трафаретная. Усл.печ.л. Тираж 100 экз. Заказ 2,09 Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.

36