Методическое указание к выполнению работы

Краткие сведения из теории

 

В настоящее время самыми прогрессивными являются импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН), в которых транзисторы регулирующих элементов работают в ключевом режиме. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с компенсационными стабилизаторами, основными из которых является высокий КПД и улучшенные массогабаритные характеристики.

Существуют три основные схемы ИСН: последовательный ИСН понижающего типа (рис. 15.1), параллельный ИСН повышающего (рис. 15.2) и параллельный инвертирующего (рис. 15.3) типа. Все три схемы содержат накопительный дроссель L, регулирующий элемент 1, блокировочный диод VD, элементы управления 2, 3 и конденсатор фильтра С.

 

 

Рис. 15.1. Структурная схема последовательного ИСН понижающего типа

 

Рис. 15.2. Структурная схема параллельного ИСН повышающего типа

 

Рис. 12.17. Структурная схема параллельного инвертирующего ИСН

 

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.

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 Т,„ а частота коммутации остается неизменной; в ЧИМ-стабилизаторах изменяется частота коммутации, а длительность импульса Т„ 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. 15.1), в котором накопительный дроссель одновременно является элементом сглаживающего LC-фильтра. В стабилизаторах на рис. 15.2 и 15.3 дроссель L не участвует в сглаживании пульсации выходного напряжения. В этих схемах сглаживание пульсации достигается только за счет увеличения емкости конденсатора С, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.

Силовой блок последовательного ИСН представлен на рис. 15.4.

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.

Исходными данными для выбора параметров этой схемы являются: напряжение Ui и пределы его изменения; внутреннее сопротивление Ri источника Ui; номинальное выходное напряжение стабилизатора Uo и допустимые пределы его регулировки;

 

 

Рис. 15.4. Силовой блок последовательного ИСН

 

Исходными данными для выбора параметров этой схемы являются:

- напряжение Ui и пределы его изменения; внутреннее сопротивление Ri источника Ui;

- номинальное выходное напряжение стабилизатора Uo и допустимые пределы его регулировки;

- максимальный и минимальный токи нагрузки, допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения стабилизатора; коэффициент стабилизации и внутреннее сопротивление;

- максимальный температурный уход напряжения и др.

Для исследования схемы управления и измерительного элемента, надо рассмотреть характеристики используемых в ИСН модуляторов.

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

- обеспечивается высокий КПД и оптимальная частота преобразования;

- реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования.

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:

- сложность реализации регуляторов частоты в широких пределах;

- отсутствие возможности реализации отмеченных выше преимуществ системы регулирования с ШИМ.

Поэтому исследуем схему ИСН с элементами ШИМ (Рис. 15.5).

Рис. 15.5. Схема ИСН с элементами ШИМ

 

Коэффициент передачи схемы управления, устанавливающий связь между изменениями относительной длительности импульсов на входе сглаживающего фильтра и напряжения на нагрузке (для ШИМ), равен K_ш=К_пдК_у/(2U_у), где К_дп, К_у — коэффициенты передачи делителя напряжения и усилителя рассогласования соответственно; U_у — амплитуда синхронизирующего напряжения.

Делитель напряжения выполнен на резисторах R3, R4, источник опорного напряжения — на резисторе R5 и стабилитроне VD2, усилитель сигнала рассогласования — на OU1, 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 треугольных импульсов; при модуляции по переднему фронту коэффициент заполнения (Duty cycle) выбирается максимальным (99%), при модуляции по заднему фронту — минимальным (0,1%), при модуляции по обоим фронтам — 50%.

 

Порядок выполнения рабочего задания

1. Провести моделирование последовательного ИСН (Рис. 15.4), получить зависимость Uo=f(K,) при F=1 кГц, Uy=3 В (однополярность управляющих прямоугольных импульсов обеспечивается установкой на функциональном генераторе постоянной составляющей Offset=3 В, коэффициент заполнения К, задается выбором параметра Duty cycle), Ui=30 В, Rn=100 Ом, L=100 мГн, С=100 мкФ.

2. Исследовать зависимость формы переходных процессов от активного сопротивления потерь Rd, включая последовательно с дросселем сопротивление 0,1... 10 Ом.

3. Исследовать ИСН по схеме рис. 15.5 при модуляции заднего фронта, одновременно по переднему и заднему фронту и сравните результаты по времени выхода устройств в установившийся режим.

4. 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.

 

1. Объясните назначение стабилизаторов напряжения и тока в схемах источников питания.

2. В чем различие между последовательным ИСН понижающего типа и параллельным ИСН?

3. Где используется параллельный ИСН?

4. В чем разница между ШИМ и ЧИМ? Где они используются?

Список литературы

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: Солон, 1999.- 512 с.

2. Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от элементов до устройств. М., «Радио и связь», 1993. – 352 с.

3. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.

4. Основы промышленной электроники/ Под ред. Герасимова В.Г. – М.: Высшая школа, 1986.- 336 с.

5. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника. – М.: Высш. шк., 1987.

6. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника / Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Радио и связь. 2003.

7. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с. нем. – М.: Мир, 1982.

8. Сугано Т., Икома Т., Такэиси Ё. Введение в микроэлектронику: Пер. с яп. – М.: Мир, 1988.

9. Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных устройств. Аналоговые и импульсные устройства. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

Начальник учебного отдела Рысбекова А.А.

 

 

Подписано в печать 2013

Печать офсетная. Формат 60*84/16. Бумага офсетная.

Усл.печ.л.10. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ТОО «Ак Шагыл»