Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
М Е Т О Д И Ч Н І В К А З І В К И
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Радіотехніка
Кафедра:
Телекомунікації
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Електротехнічні пристрої РЕЗ
Група:
К
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
М Е Т О Д И Ч Н І В К А З І В К И
до лабораторної роботи “Дослідження напівпровідникових інверторів напруги” з дисципліни „Електроживлення комплексів зв’язку” для студентів базового напряму 6.0924 „Телекомунікації”
та дисципліни «Електротехнічні пристрої РЕЗ»
для студентів базового напряму 6.0907 « Радіотехніка»
Затверджено на засіданні
кафедри РЕПС
протокол № ____ від__________2008 р
Л Ь В І В 2008
Методичні вказівки до лабораторної роботи “Дослідження напівпровідникових інверторів напруги” з з дисципліни „Електроживлення комплексів зв’язку” для студентів базового напряму 6.0924 „Телекомунікації” та дисципліни «Електротехнічні пристрої РЕЗ» для студентів базового напряму 6.0907 « Радіотехніка». /Укл.: В.Г. Сторож, І.Г.Яковенко. -Львів: НУ”ЛП”, 2008. -15 с.
Укладачі :
В.Г. Сторож, канд. техн. наук, ст.викл.
І.Г.Яковенко, ст. викл.
Відповідальний за випуск: І.Н.Прудиус, д-р техн. наук, проф.
Рецензенти:
В.І. Оборжицький, канд. техн. наук, доц.
М.Й. Николишин, канд. техн. наук, доц.
ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ІНВЕРТОРІВ НАПРУГИ
Мета роботи
Ознайомитися з принципом дії інверторів напруги, методикою розрахунку та дослідження їх характеристик.
Теоретична частина
Процес перетворення постійного струму у змінний називається інвертуванням, а пристрій, що здійснює це перетворення – інвертором. Якщо на виході інвертора встановити випрямляч і згладжуючий фільтр, то одержимо перетворювач постійної напруги з одним номіналом вхідної напруги у постійну напругу іншого номіналу та полярності. Такий перетворювач носить назву конвертора.
У даний час напівпровідникові інвертори майже повністю витіснили інші типи перетворювачів завдяки притаманним їм перевагам: високому к.к.д. (70...90%), малим габаритним розмірам та масі, більшому терміну служби (до 10 тис. годин), можливості забезпечення достатньо високої вихідної потужності (сотні ват).
Загальний принцип дії інвертора базується на періодичному підключенні навантаження до джерела постійної напруги, в результаті чого через навантаження протікає змінний струм. У джерелах живлення використовуються як однотактні, так і двотактні транзисторні перетворювачі.
Однотактні перетворювачі виконуються за структурною схемою, поданою на рис.1.
У цій схемі транзистор Т, що працює у режимі перемикань, разом з трансформатором Тр і колом зворотного зв’язку КЗЗ утворюють автогерератор (блокінг-генератор). Останній перетворює вхідну постійну напругу UI у прямокутні імпульси певної тривалості та частоти. При відкритому транзисторі до первинної обмотки трансформатора прикладається напруга UI, у трансформаторі запасається енергія, яка при закритому транзисторі поступає на вхід випрямляча. Згладжуючий фільтр ЗФ зменшує пульсації випрямленої напруги на навантаженні RH.
Двотактний перетворювач виконується за структурною схемою рис.2.
Транзистори Т1 і Т2 під’єднані колекторами до первинної обмотки трансформатора Тр. Джерело вхідної напруги під’єднане до еміторів транзисторів і середнього виводу первинної обмотки трансформатора.
При включенні напруги UI в автогенераторі виникають коливання і постійна напруга перетворюється у змінну напругу прямокутної форми, що потім випрямляється та згладжується фільтром. У джерелах живлення використовуються два типи двотактних автогенераторів: з насиченням магнітопроводу трансформатора та без насичення.
В автогенераторах з насиченим магнітопроводом силового трансформатора перемикання транзисторів здійснюється за рахунок зміни полярності напруги на обмотках трансформатора в момент насичення осердя. У таких перетворювачах коло зворотного зв’язку (базові обмотки) знаходяться на спільному магнітопроводі трансформатора. Частота перетворення визначається параметрами трансформатора та напругою на його первинній (колекторній) обмотці. Основним недоліком таких перетворювачів є різке збільшення струму через відкритий транзистор в момент його насичення., що викликає додаткові втрати потужності у транзисторах.
В автогенераторах з ненасиченим силовим трансформатором перемикання транзистора відбувається за рахунок введення в КЗЗ додаткових елементів, що перемикають транзистор до насичення трансформатора. Такими перемикаючими елементами можуть бути малопотужний перемикаючий трансформатор, дросель насичення або RC-ланка.
Двотактні перетворювачі з насиченим та ненасиченим трансформатором завдяки їх простоті та надійності широко використовуються у джерелах живлення з вихідною потужністю до десятків ват.
Перетворювачі з підсилювачем потужності виконуються за структурною схемою рис.3.
У поданий перетворювач входять два функціональних вузла: підсилювач потужності ПП та задаючий генератор ЗГ, що керує режимом перемикання транзисторів підсилювача потужності. Трансформатор Тр, випрямляч В та згладжуючий фільтр ЗФ забезпечують постійну напругу U0 в навантаженні RH. Підсилювач потужності звичайно виконується по двотактній або мостовій схемі на потужних транзисторах.
Як задаючий генератор, що керує перемиканням силових транзисторів підсилювача потужності, використовуються наведені вище двотактні перетворювачі з самозбудженням. У високочастотних перетворювачах використовують автогенератори на операційних підсилювачах або на логічних елементах з зовнішніми RC-ланками, що задають частоту перетворення до 200 кГц.
Позитивними рисами перетворювачів з підсилювачем потужності є відсутність впливу зміни навантаження і вхідної напруги на частоту перетворення. В них також достатньо просто можна забезпечити керування роботою силових трансформаторів по любому потрібному закону.
В транзисторних перетворювачах, виконаних за розглянутими структурними схемами, вихідна напруга U0 змінюється при зміні вхідної напруги та струму навантаження. Для забезпечення її стабільності використовують перетворювачі з вхідним стабілізатором, найчастіше імпульсного типу. Такий тип джерел живлення широко використовується у багатоканальних пристроях з різними за номіналом та полярністю вихідними напругами.
Іншим, досить поширеним типом джерела живлення, де використовуються перетворювачі, є регульовані (стабілізовані) перетворювачі з безтрансформаторним входом (рис.4).
Поданий пристрій працює безпосередньо від силової мережі, напруга якої UM подається безпосередньо на випрямляч В1 з фільтром Ф1 без вхідного силового трансформатора, що дозволяє суттєво зменшити габарити та вагу блоку живлення. Випрямлена напруга UI перетворюється в імпульсну перетворювачем П, що працює на підвищеній частоті 5...50 кГц. Тому трансформатор Тр та фільтр Ф2 мають суттєво зменшені габарити. Стабілізація вихідної напруги забезпечується схемою порівняння СП та імпульсним модулятором.
Для детальнішого ознайомлення з принципом роботи перетворювачів від структурних схем перейдемо до їх електричних схем. Однотактний перетворювач, простіша схема якого подана на рис.5, являє собою блокінг-генератор, виконаний на транзисторі VT і трансформаторі ТV, що має три обмотки: первинну WK, вторинну W2 і базову WB.
До вторинної обмотки трансформатора під’єднані випрямляч (діод VD) і конденсатор С для згладжування пульсацій напруги на навантаженні. Резистор RB обмежує струм у колі бази і визначає робочу точку транзистора.
Полярність під’єднання обмоток трансформатора ТV така, що при відкритому транзисторі діод закритий і навантаження від’єднане від перетворювача. При цьому відбувається зростання енергії магнітного поля трансформатора. У наступний момент роботи блокінг-генератора, коли транзистор починає закриватися, полярність напруги на всіх обмотках трансформатора змінюється на зворотну, діод відкривається і накопичена енергія передається у навантаження.
Позитивною рисою такого перетворювача є простота схеми та надійність. Суттєвим недоліком цієї схеми є те, що трансформатор в ній працює з підмагнічуванням, що суттєво збільшує втрати у ньому. Крім того, цей перетворювач має підвищений рівень пульсацій напруги на навантаженні і тому знаходить обмежене застосування. Інший різновид однотактного перетворювача поданий на рис. 6. У цьому перетворювачі частота перетворення
визначається схемою керування, з якої керуюча напруга UК подається у транзистор, що працює у ключовому режимі. Транзистор підключає трансформатор до джерела постійної напруги U0 на час тривалості імпульса τ і відключає його на час паузи (Т-τ). При відкритому транзисторі відбувається накопичення енергії магнітного поля у трансформаторі, яка під час паузи віддається у навантаження. Перевагами порівняно з попереднім варіантом є вища стабільність частоти перетворення та можливість її регулювання, недоліком є більша складність схеми.
Двотактні перетворювачі напруги мають два транзистори і трансформатор. Вони виконуються симетричними відносно джерела живлення. Простіша схема двотактного перетворювача (схема Ройєра) подана на рис.7.
Вона являє собою перетворювач з трансформатором, магнітопровід якого досягає режима насичення, та двома транзисторами VT1 i VT2, які почергово підключають джерело постійної напруги UI до первинних обмоток трансформатора ТV. Базові кола транзисторів під’єднані до обмоток зворотного зв’язку WB та WB’ через резистори RB, а навантаження під’єднане до вихідної обмотки W2.
При підключенні напруги живлення UI струм через один з транзисторів, наприклад, VT1, через розкид параметрів виявиться більшим, ніж струм через транзистор VT2. Вихідною робочою точкою для магнітопровода трансформатора буде точка 1 (рис.8). Результуючий струм, що протікає по первинній обмотці трансформатора, індукує у всіх його обмотках ЕРС, полярність якої визначається напрямком струму колектора VT1. Тому з обмотки позитивного зворотного зв’язку WB на базу транзистора VT1 подається мінус. Транзистор повністю відкривається і переходить у режим насичення. На базу транзистора VT2 подається плюс, транзистор повністю закривається і переходить у режим відсічки. Починається поступовий процес формування прямокутного імпульса вихідної напруги (ділянка 1 – 2 на рис.8). Закінчення цього процесу визначається моментом насичення осердя трансформатора (точка 3 на рис.8).
У цьому режимі різко зменшується магнітна проникність матеріалу магнітопровода і наростання магнітного потоку припиняється. Згідно закону електромагнітної індукції:
для стаціонарного магнітного потоку Ф наведені у всіх обмотках трансформатора напруги стають рівними нулю. Стан системи, у якому енергія магнітного поля досягає максимуму, є нестійким і супроводжується зменшенням магнітного потока Ф, що змінює знак напруг на обмотках трансформатора.
Тепер на базу транзистора VT1 подається позитивна напруга і він закривається, а на базу транзистора VT2 подається негативна напруга і він відкривається. Таким чином відбувається формування фронтів прямокутного імпульса напруги на вихідній обмотці. Для забезпечення надійного збудження автоколивань у схему введений резистор RЗ, який разом з обмежуючим резистором в колі бази RВ утворює подільник напруги, з якого подається відпираюче зміщення на одне плече перетворювача. Для зменшення часу перемикання транзисторів резистор RB шунтують конденсатором СВ, ємність якого вибирають з умови: СВ ≤ Т / (2∙RB), де Т – період коливань автогенератора.
Позитивною властивістю перетворювачів з насиченням вихідного трансформатора є його простота, а також притаманна схемі властивість захисту транзисторів від короткого замикання в колі навантаження, при якому автогенерація припиняється і пошкодження елементів схеми не спостерігається. Основним недоліком таких перетворювачів є наявність сплесків струму колекторів під час вимикання, що збільшує втрати в транзисторах.
З метою ліквідації сплесків струму колектора, підвищення к.к.д та робочої частоти у перетворювачі використову-
ють додатковий комутуючий трансформатор. Такий пере- творювач виконують на двох транзисторах VT1 i VT2 та двох трансформаторах ТV1 і ТV2 (рис. 9). Вихідний трансформатор ТV1 працює без заходу робочої точки в режим насичення. Комутація транзисторів здійснюється малопотужним перемикаючим трансформатором ТV2. Резистор RЗ у колі первинної обмотки перемикаючого трансформатора придушує кидки колекторного струму при перемиканні транзисторів. В момент насичення перемикаючого трансформатора ТV2 зростає струм намагнічення, що викликає відповідне збільшення спадку напруги на резисторі RЗ і зменшення напруги на обмотках комутуючого трансформатора. Базовий струм відкритого транзистора і позитивний потенціал на базі закритого транзистора зменшуються. В результаті цього процесу відкритий транзистор виходить з режиму насичення, спадок напруги на ньому зростає і напруга на первинній обмотці TV1 зменшується.
Частота перетворення автогенератора визначається трансформатором ТV2. Оскільки резистор RЗ обмежує напругу на первинній обмотці ТV2, то його зміною можна у деяких межах регулювати частоту перетворення. Швидкодія перетворювача з перемикаючим трансформатором є вищою і транзистори перемикаються при менших колекторних струмах, ніж у перетворювача з насиченням трансформатора. Недоліком розглянутої схеми є наявність додаткового трансформатора.
Для зменшення впливу навантаження на параметри перетворювача, а
також для створення можливості регулювання частоти перетворення використовують перетворювачі з підсилювачем потужності. Перетворювачі з двотактним підсилювачем потужності (рис.10) звичайно використовують для перетворення потужностей порядку десятків та сотень ват, а також при живленні РЕА від низьковольтних джерел постійної напруги. Двотактний підсилювач потужності виконується на двох транзисторах VT1 і VT2 та вихідному трансформаторі ТV2. Напруга керування UK від задаючого генератора через трансформатор ТV1 подається на вхід підсилювача потужності. Під дією вхідної напруги у перший півперіод один з транзисторів, наприклад, VT1 відкривається і переходить у режим насичення, а другий (VT2) закривається і переходить у режим відсічки. У другий півперіод керуючої напруги транзистори перемикаються. Через відкритий транзистор напруга живлення UI подається на первинну обмотку вихідного трансформатора, створюючи на вторинній обмотці напругу прямокутної форми. Вихідний трансформатор працює у лінійному режимі без насичення магнітопроводу.
Через роботу транзисторів у ключовому режимі у схемах перетворювачів виникають умови для ударного збудження паразитних контурів, які утворюються як комбінації різноманітних реактивних елементів схеми. Власні частоти таких контурів можуть лежати в межах від десятків кілогерц до сотень мегагерц, що визначає частотний спектр завад від перетворювача. Ці завади можуть передаватися як по провідних лініях, так і за рахунок випромінювання.
Для запобігання цьому перетворювач розміщується у металічному корпусі (екрані), а ввід та вивід напруг здійснюється через прохідні конденсатори (рис. 11).
Програма дослідження
1.Вивчити принцип роботи і намалювати структурні схеми різних типів перетворювачів напруги. Дати відповіді на контрольні запитання.
2.Виконати розрахунок перетворювача напруги для заданого варіанту технічних умов (табл.1) із застосуванням пакету прикладних математичних програм MATHCAD для схеми (рис.5). В процесі розрахунку здійснити вибір елементної бази (транзисторів, діодів, резисторів) з врахуванням даних з табл.2.
Таблиця 1.
№ вар.
1
2
3
4
5
6
7
8
Ui, B
15
10
6
16
24
4
12
8
Uo, B
21
15
8
20
30
5
16
10
In, A
1.1
2
3
2.5
0.8
5
1.8
0.6
F, Гц
1000
900
800
750
1500
850
1000
2000
Таблиця 2
Тип тран.
Ikm,
A
Io,
A
Ukm,
B
Ukn
B
Ubn,
B
βmin
βmax
fg,
кГц
Рm,
Вт
П210Б
12
0.015
50
0.7
0.4
20
100
100
45
П215
5
0.003
70
0.5
1.2
100
150
150
10
ГТ906
10
0.015
75
0.5
0.7
30
150
100
15
КТ801
2
0.002
80
2
2
30
150
500
5
КТ803
10
0.005
60
2.5
1
20
70
500
60
Ikm- допустимий струм колектора, Іо – зворотний струм колектора, Ukm – допустима напруга колектор-емітер, Ukn – напруга насичення колектор-емітер, Ubn – напруга насичення база-емітер, βmin, βmax – мінімальний та максимальний коефіцієнти підсилення за струмом, fg – гранична частота, Pm – максимальна розсіювана потужність.
3. При дослідженнях перетворювачів постійної напруги методом математичного моделювання використовується програма ELECTRONICS WORКBENCH. Порядок виконання цієї роботи є наступним:
- після завантаження програми відкриваються файл EJ6M1.ewb і виконується дослідження перетворювача з двотактним підсилювачем потужності методом математичного моделювання;
- визначаються осцилограми при різних рівнях сигналу задаючого генератора.
У звіті з проведених досліджень наводиться схема перетворювача з двотактним підсилювачем потужності, осцилограми при різних рівнях сигналу задаючого генератора і висновки по результатах проведеного дослідження.
4.Провести експериментальне дослідження перетворювача за наступною програмою:
дослідити залежність Uo, F, In = φ (RH) для RH = 0,5;1;2.5;10 кОм;
зняти залежність частоти перемикання транзисторів від вхідної напруги: F=φ(Ui);
зняти осцилограми колекторних та базових напруг;
визначити потужність, яку віддає перетворювач у навантаження, вхідний опір та к.к.д.
Контрольні запитання
1.Що таке інвертор та конвертор напруги?
2.Структурна схема та принцип роботи однотактного перетворювача.
3. Структурна схема та принцип роботи двотактного перетворювача.
4. Структурна схема та принцип роботи перетворювача з підсилювачем потужності.
5. Структурна схема регульованого перетворювача з безтрансформаторним входом.
6. Пояснити роботу автогенераторного однотактного перетворювача за його принциповою схемою.
7. Пояснити роботу однотактного перетворювача зі схемою керування за його принциповою схемою.
8. Пояснити принцип роботи двотактного перетворювача за схемою Ройєра.
9. Пояснити принцип роботи двотактного перетворювача з перемикаючим трансформатором.
10. Дати порівняльну характеристику перетворювача з підмагнічуванням та перемикаючим трансформатором.
11. Як працює перетворювач з двотактним підсилювачем потужності?
12. Якою є причина виникнення завад у перетворювачах і якими способами їх придушують?
Література
1.Иванов-Цыганков А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС: Учебник для вузов по специальности "Радиотехника".-М: Высш. школа, 1991.
2.Алексеев О.А., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электротехнические устройства. Учебник для вузов. -М.: Энергоиздат, 1981.
3.Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры. - К.: Высш. школа, 1986.
4.Справочник. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры./Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986.
18.04.2012 19:04-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора