close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ziatdinov 0FA52D91D5

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
СЕТЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
Санкт-Петербург
2012
Составитель С. И. Зиатдинов
Рецензент старший преподаватель Т. В. Семененко
Методические указания содержат описание лабораторной работы по курсу «Электроника». Рассматриваются вопросы построения и исследования характеристики сетевых источников питания.
Указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности
230201 «Информационные системы и технологии».
Подготовлены кафедрой информационно-сетевых технологий и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом Санкт-Петербургского
государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Редактор В. П. Зуева
Верстальщик С. В. Барашкова
Сдано в набор 02.03.12. Подписано к печати 19.03.12. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Усл.-печ. л. 0,69. Уч.-изд. л. 0,75.
Тираж 100 экз. Заказ № 157.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2012
Лабораторная работа
Сетевые источники постоянного тока
1. Принципы построения источников питания
1.1. Общие сведения
Источники постоянного тока используются для питания различной радио-электронной аппаратуры.
Сетевые источники питания преобразуют переменное напряжение 220 В частоты 50 Гц в постоянное напряжение заданной величины и полярности (±1,5 В; ±3 В; ±5 В и т. д.).
Структурная схема рассматриваемого источника питания приведена на рис. 1.
В состав источника питания входят трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения.
Трансформатор – это электротехническое устройство, предназначенное для повышения или понижения напряжения сети. В соответствии с этим трансформаторы бывают повышающими и понижающими. Трансформатор состоит из магнитопровода, первичной
обмотки, одной или нескольких вторичных обмоток (рис. 2).
Магнитопровод трансформатора изготавливается из электротехнической стали, обладающей малым сопротивлением магнитному
~220 В, 50 Гц
Трансформатор
Выпрямитель
Сглаживающий
фильтр
Стабилизатор
UИП
напряжения
Рис. 1
3
Магнитопровод
U1 W1
W2
Рис. 2
U2
потоку. При этом первичная
обмотка содержит W1 витков
медного провода, а вторичная
обмотка – W2 витков.
Трансформаторы характеризуются коэффициентом трансформации
k=
W2
U
èëè k = 2 ,
W1
U1
где U1 и U2 – напряжение на первичной и выходе вторичной обмотках.
При k < 1 – трансформатор понижающий, при k > 1 – трансформатор повышающий.
Принцип работы трансформатора. Под действием переменного напряжения U1 в первичной обмотке протекает переменный ток,
создающий переменный магнитный поток. Переменный магнитный поток распространяется по магнитопроводу и пронизывает
витки вторичной обмотки, в витках которой в соответствии с законом электромагнитной индукции возбуждается электродвижущая
сила (ЭДС). ЭДС отдельных витков суммируются, образуя переменное напряжение U2 на выходах вторичной обмотки.
Очевидно, что частота выходного напряжения трансформатора
равняется частоте напряжения на первичной обмотке, поступающего из сети.
Выпрямитель, входящий в состав источника питания, преобразует переменное напряжение вторичной обмотки в однополярное
напряжение (положительное или отрицательное). Выпрямители
бывают однополупериодные и двухполупериодные.
1.2. Источники питания
с однополупериодным выпрямителем
Основным элементом выпрямителей является полупроводниковый диод, обладающий односторонней проводимостью.
Часть схемы источника питания с однополупериодным выпрямителем для получения положительного напряжения показана на
рис. 3.
На данном рисунке Тр – трансформатор; VD – выпрямительный
диод; RН – резистор нагрузки.
4
U1
W1
Тр
∼U1
∼U2
t
0
VD
W2
RН
URH
t
0
Рис. 3
U2
Tp
∼U1
Рис. 4
VD
∼U2
t
0
RН
t
0
URH
Рис. 5
Рис. 6
Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены
на рис. 4.
При положительной полуволне напряжения U2 на вторичной
обмотке диод VD открыт и пропускает в нагрузку положительную
полуволну напряжения U2. При отрицательной полуволне напряжения U2 диод закрыт, обладает большим сопротивлением. В результате отрицательная полуволна напряжения U2 в нагрузку
практически не поступает.
Часть схемы источника питания с однополупериодным выпрямителем для получения отрицательного напряжения показана
на рис. 5. Соответствующие временные диаграммы показаны на
рис. 6.
Принцип работы данной схемы аналогичен принципу работы
схемы (рис. 3). Из представленных временных диаграмм видно, что
напряжение на нагрузке является пульсирующим и неприемлемым для питания радиоэлектронной аппаратуры.
Для сглаживания пульсаций напряжения с выхода выпрямителя в источнике питания используются сглаживающие фильтры
в виде конденсатора большой емкости, достигающей десятков тысяч мкФ.
5
а) U
2
VD
Tp
∼U1
∼U2
I3
t
0
•
+ IР
–
б)
RН
URH
t
0
Рис. 7
Рис. 8
Часть схемы источника питания, включающей трансформатор,
выпрямительный диод и сглаживающей фильтр, показана на рис. 7.
Поясняющие временные диаграммы показаны на рис. 8.
На временной диаграмме рис. 8,б пунктирной линией показано
напряжение на нагрузке без учета сглаживающего конденсатора.
При подключении конденсатора за время положительной полуволны напряжения U2 (рис. 8, а) диод VD открыт и через его малое сопротивление происходит быстрый заряд конденсатора током I3
(сплошная линия на рис. 8, б).
В паузе конденсатор частично разряжается через сопротивление
нагрузки RН. Ток разряда IР, протекая через сопротивление нагрузки, создает на ней практически постоянное напряжение с определенным уровнем пульсаций. Величина пульсаций напряжения
на нагрузке зависит от емкости С сглаживающего конденсатора
и сопротивления нагрузки RН.
С уменьшением емкости сглаживающего конденсатора и сопротивления нагрузки происходит больший разряд конденсатора и, следовательно, увеличение уровня пульсаций напряжения на нагрузке.
Для уменьшения уровня пульсаций используются двухполупериодные выпрямители. Различают две схемы двухполупериодных
выпрямителей – на базе трансформатора со средним выводом вторичной обмотки и мостовые схемы.
1.3. Источники питания
с двухполупериодными выпрямителями на базе трансформатора
со средним выводам вторичной обмотки
Часть схемы рассматриваемого источника питания, включающая трансформатор со средним выводом вторичной обмотки, два
выпрямительных диода и сглаживающий конденсатор показана на
рис. 9.
6
U2′
Tp
∼U1
VD1
•
+ (–)
I3
W2′ U2′
– (+)
+ (–)
•
•
+ IР
–
C
RН
U2′′
t
0
W2′′ U2′′
– (+)
URH
VD2
0
Рис. 9
t
0
t
Рис. 10
Вторичная обмотка трансформатора содержит две полуобмотки
W2′ и W2′′ c одинаковым количеством витков, включенных согласно.
Точкой на вторичной обмотке обозначено начало каждой из полуобмоток.
Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены
на рис. 10.
Во время положительной полуволны напряжений U1′ и U2′′ диод
VD1 открыт, а диод VD2 закрыт. Через открытый диод VD1 током I3
происходит заряд конденсатора так, что на его верхней обкладке
накапливается положительный заряд. При смене полярности напряжений U1′ и U2′′ на противоположную диод VD1 закрыт, а диод
VD2 открыт. И уже через открытый диод VD2 током I3 заряжается конденсатор. На его верхней обкладке по-прежнему накапливается положительный заряд. Таким образом, при каждой полуволне напряжений U1′ и U2′′ происходит заряд конденсатора и на его
верхней обкладке накапливается положительный заряд. В паузе
между полуволнами конденсатор разряжается. Ток разряда IР
всегда в одном направлении протекает через сопротивление нагрузки. На временной диаграмме URH (рис. 10) пунктирная линия соответствует напряжению на нагрузке без сглаживающего конденсатора, а сплошная линия – напряжению со сглаживающим конденсаторам.
Очевидно, что в рассмотренной схеме источника питания с двухполупериодным выпрямлением частота пульсации в два раза выше,
чем в схеме с однополупериодным выпрямлением. Поэтому источник питания с двухполупериодным выпрямителем имеет уровень
пульсаций напряжения на нагрузке в два раза ниже.
7
Недостатком рассмотренной схемы источника питания является необходимость иметь трансформатор со средним выводом вторичной обмотки.
1.4. Источник питания
с двухполупериодным выпрямителем
на базе диодного моста
Часть схемы источника питания с диодным мостом показана на
рис. 11.
В данной схеме источника питания диоды VD1 ÷ VD4 являются
диодным мостом и выполняют функцию двухполупериодного выпрямителя.
При положительной полуволне напряжения со вторичной обмотки открыты диоды VD2 и VD4. Через эти диоды током I3 происходит заряд конденсатора так, что на верхней обкладке накапливается положительный заряд. При отрицательной полуволне напряжения со вторичной обмотки трансформатора открыты диоды VD1
и VD3, через которые током I3 заряжается конденсатор. При этом
по-прежнему на его верхней обкладке накапливается положительный заряд. В паузе между полуволной конденсатор разряжается
через сопротивление нагрузки. В результате ток разряда IР течет
через нагрузку в одном направлении.
Поскольку в данной схеме заряд конденсатора происходит за
время действия каждой из полуволн напряжения с выхода вторичной обмотки трансформатора, то уровень пульсаций напряжения
на нагрузке такой же, как на схеме (рис. 9).
Вместе с тем, следует, что уровень пульсаций даже в схемах
с двухполупериодным выпрямлением остается достаточно высоTp
+(–)
∼U1
W1
•
VD1
–(+)
•
•
W2
VD2
VD4
•
VD3
•
I3
+
–
C
•
Рис. 11
8
IР
RН
ким. Дальнейшее снижение уровня пульсаций выходного напряжения источника питания достигается использованием стабилизаторов напряжения.
2. Моделирование источников питания
с использованием программного приложения
MICROCAP
2.1. Исследование источника питания
с однополупериодным выпрямителем
С помощью приложения MICROCAP собрать следующую схему источника питания (рис. 12).
VD
Tp
При этом из библиотеки
MICROCAP необходимо выRН
C
брать полупроводниковый E ∼
диод типа 27-02; в настройках трансформатора установить 10,1,1; генератор E
Рис. 12 VD
0,1 m Tp
1
взять «1 мГц» с параметрами: амплитуда А = 15 В, частота F = 50 Гц. Емкость конденсатора С
принять равной 100 мкФ (100 U).
RН
Произвести исследование уровня пульсаций Uп выходного напряжения источника питания в зависимости от величины сопроE ∼
тивления нагрузки Rн. Данные исследований
занести в табл. 1.
Tp
Произвести исследование уровня пульсаций Uп выходного напряжения источника питания от величины емкости конденсатора
С. Сопротивление нагрузки принять равным Rн = 100 Ом. Данные
исследований занести в табл. 2.
0,1 m
VD2
С = 100 мкФ
Rн, Ом
100
300
500
Uп, В
700
E
1000
1500
2000
VD1
Tp
∼
VD2
Rн = 100 Ом
С, мкФ
10
50
100
500
750
1500
3000
C
Таблица 1
5000
VD3
Таблица 2 R Н
VD4
5000
Uп, В
9
C
VDисточника
2.2. Исследование
Tp
с двухполупериодным выпрямителем
на базе трансформатора со средней
точкой
R
C
E
∼
Н
С помощью приложения MICROCAP собрать следующую схему
источника питания (рис. 13).
0,1 m
Tp
VD1
RН
E
C
∼
Tp
0,1 m
VD2
Рис. 13
При этом из библиотеки MICROCAP необходимо выбрать полуTp 27-02; VD
проводниковый диод типа
в 1настройках
VD3 трансформатора
установить 10,1,1; генератор E взять «1 мГц» с параметрами: амE ∼
плитуда А = 15 В, частота F = 50 Гц. Емкость конденсатора С приR
C
VD2
VD4 Н
нять равной 100 мкФ (100 U).
Произвести исследование уровня пульсаций Uп выходного напряжения источника питания в зависимости от величины сопротивления нагрузки Rн. Данные исследований занести в табл. 3.
Произвести исследование уровня пульсаций Uп выходного напряжения источника питания в зависимости от величины емкости
конденсатора С. Сопротивление нагрузки принять равным Rн =
= 100 Ом. Данные исследований занести в табл. 4.
Таблица 3
С = 100 мкФ
Rн, Ом
100
300
500
700
1000
1500
2000
5000
Uп, В
Таблица 4
Rн = 100 Ом
С, мкФ
Uп, В
10
10
50
100
500
750
1500
3000
5000
E
∼
Tp
2.3. Исследование источника питания
с двухполупериодным выпрямителем на основе диодного моста
0,1 m
VD
2
С помощью приложения MICROCAP
собрать следующую схему
источника питания (рис. 14).
Tp
E
VD1
VD3
∼
VD2
VD4
RН
C
Рис. 14
При этом из библиотеки MICROCAP необходимо выбрать полупроводниковый диод типа 27-02; в настройках трансформатора
установить 10,1,1; генератор E взять «1 мГц» с параметрами: амплитуда А = 15 В, частота F = 50 Гц. Емкость конденсатора С принять равной 100 мкФ (100 U).
Произвести исследование уровня пульсаций Uп выходного напряжения источника питания в зависимости от величины сопротивления нагрузки Rн. Данные исследований занести в табл. 5.
Таблица 5
С = 100 мкФ
Rн, Ом
100
300
500
700
1000
1500
2000
5000
Uп, В
Таблица 6
Rн = 100 Ом
С, мкФ
10
50
100
500
750
1500
3000
5000
Uп, В
Произвести исследование уровня пульсаций Uп выходного напряжения источника питания в зависимости от величины емкости
конденсатора С. Сопротивление нагрузки принять равным Rн =
= 100 Ом. Данные исследований занести в табл. 6.
3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Схема экспериментальной установки.
11
4. Таблицы с результатами исследований.
5. Графики зависимостей уровня пульсаций напряжения на выходе источника питания от параметров схемы.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назначение источников питания.
2. Структурная схема источника питания.
3. Работа источника питания с однополупериодным и двухполупериодным выпрямителями.
4. Временные реализации.
Содержание
Лабораторная работа. Сетевые источники постоянного тока.... 3
1. Принципы построения источников питания...................... 1.1. Общие сведения...................................................... 1.2. Источники питания с однополупериодным
выпрямителем.............................................................. 1.3. Источники питания с двухполупериодными
выпрямителями на базе трансформатора со средним
выводам вторичной обмотки........................................... 1.4. Источник питания с двухполупериодным
выпрямителем на базе диодного моста............................. 3
3
4
6
8
2. Моделирование источников питания с использованием
программного приложения MICROCAP................................ 9
2.1. Исследование источника питания
с однополупериодным выпрямителем.............................. 9
2.2. Исследование источника с двухполупериодным
выпрямителем на базе трансформатора со средней точкой.... 10
2.3. Исследование источника питания с двухполупериодным
выпрямителем на основе диодного моста.......................... 11
3. Содержание отчета......................................................... 11
4. Контрольные вопросы.................................................... 12
12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
898 Кб
Теги
ziatdinov, 0fa52d91d5
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа