Джерела живлення. Дослідження основних параметрів

Методические указания к лабораторной работе № 1

1 ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ. ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ

1.1 Мета роботи

Метою роботи є:

- вивчення принципів перетворення змінної напруги в постійну;

- вивчення основ функціональної побудови джерел живлення;

- придбання практичних навичок з виконання перевірочних розрахунків та визначення параметрів якості джерел живлення;

- вивчення конструктивного виконання випрямлячів, інверторів, фільтрів, стабілізаторів, їх з'єднань в блоках живлення пристроїв різного функціонального призначення;

- придбання практичних навичок з визначення параметрів джерел живлення різних функціональних схем;

- вивчення функціональних можливостей джерел живлення і складання керівництва з експлуатації.

1.2 Методичні вказівки з підготовки до лабораторної роботи

При підготовці до лабораторної роботи необхідно вивчити теоретичний матеріал, який міститься в конспекті лекцій і літературі, що рекомендується [1, с. 157-195].

При вивченні матеріалу потрібно звернути увагу на те, що первинні (до них відносять гальванічні елементи і батареї з них) і вторинні (акумулятори) хімічні джерела струму характеризуються такими основними параметрами, як електрорухома сила (ЕРС), початкова (кінцева) напруга, внутрішній опір, ємність, термін зберігання (для акумуляторів - збереження); додатково для акумуляторів - віддача акумулятора по ємності, віддача по енергії, термін служби, термін придатності.

Необхідно пам'ятати, що в джерелах живлення приймально-підсилювальної апаратури знаходять застосування випрямляючі пристрої, що конструктивно об'єднують трансформатор живлення, комплект вентилів, згладжувальний фільтр. Часто в літературі випрямляючі пристрої називають випрямлячами. Використання цього терміну в лабораторній роботі має зміст тільки як комплект вентилів.

Випрямляючі пристрої служать для перетворення змінної напруги в постійну. Основними параметрами випрямляючих пристроїв є: номінальна напруга, частота живлючої мережі і їх відхилення від номінальних значень; повна потужність, яка споживана від мережі живлення при номінальному навантаженні; номінальна вихідна напруга; номінальний струм навантаження, їх відхилення від номінальних значень; коефіцієнт корисної дії (ККД); коефіцієнт пульсацій.

За використаною схемою розрізняють випрямляючі пристрої однонапівперіодні, двонапівперіодні з виведенням середньої точки, мостові, з подвоєнням напруги. Частіш за все вони виконуються зі згладжувальним фільтром, що починається з конденсатора, отже, працюють на ємнісне навантаження.Використовуються для отримання напруги від одиниць вольт до десятків кіловольт.

Потрібно знати, що вибір тієї або іншої схеми визначається необхідною потужністю в навантаженні, величиною коефіцієнта пульсацій. Так, при потужностях в навантаженні до 5-10 Вт і тоді, коли не потрібен малий коефіцієнт пульсацій, застосовують однонапівперіодну (однофазну) схему випрямляча. Двонапівперіодну схему з виведенням середньої точки (двофазну) застосовують частіше за все при потужностях до 100 Вт і величинах напруг до 400-500 В. Однофазна мостова схема характеризується хорошим використанням потужності трансформатора, тому рекомендується при потужностях в навантаженні до 1000 Вт і більш. Симетричну схему з подвоєнням напруги застосовують частіше за все при потужностях в навантаженні до 1000 Вт і випрямлених напругах вище за 500-600В.

Згладжувальні фільтри використовують для зменшення пульсації випрямлених напруг. Вони складаються з дроселя і конденсатора або з резистора і конденсатора, також використовуються фільтри на транзисторах, дія яких заснована на тому, що опір транзистора між емітером і колектором для змінної складової випрямленого струму у багато разів більше, ніж для постійної. Параметром якості фільтра є коефіцієнт згладження, який дорівнює відношенню коефіцієнта пульсацій на вході до коефіцієнта пульсацій на виході.

Стабілізатори напруги є конструктивною частиною блоків живлення і використовуються для автоматичної підтримки рівня постійної напруги. Основними параметрами стабілізаторів є: коефіцієнт нестабільності по напрузі, коефіцієнт нестабільності по струму, коефіцієнт стабілізації напруги, вихідний опір, ККД, коефіцієнт згладження пульсацій (має те ж значення, що і для фільтрів). У залежності від необхідного коефіцієнта стабілізації струмів і напруги в навантаженні використовують різні види стабілізаторів: напівпровідникові параметричні, компенсаційні, імпульсні.

Перетворювачі постійної напруги дозволяють набути різних значень напруги. Конструктивно вони складаються з інвертора, що перетворює напругу в напругу прямокутної форми, і випрямляча. У залежності від необхідної потужності в навантаженні використовують перетворювачі: однотактні з транзисторним ключем, однотактні з широтно-імпульсною стабілізацією, двотактні, безтрансформаторні. Імпульсні мережні блоки живлення конструктивно об'єднують безтрансформаторні випрямлячі, фільтри, імпульсні стабілізатори напруги, інвертори.

Для перерахованих пристроїв знаходять застосування випрямлячі (випрямляючі пристрої), якість яких визначається коефіцієнтом пульсацій, коефіцієнтом згладження (для фільтрів і стабілізаторів, який розраховується як відношення коефіцієнтів пульсацій). Коефіцієнт пульсацій - відношення амплітуди першої гармоніки змінної складової випрямленої напруги до її постійної складової. Іноді визначають коефіцієнт пульсацій як відношення подвійної амплітуди змінної складової 2U_м.вих до постійної складової U₀. Подвійна амплітуда змінної складової вимірюється як сума позитивної і негативної напівхвиль змінної складової випрямленої напруги. Розраховується коефіцієнт пульсацій за формулою

. (1.1)

Струм навантаження

,(1.2)

де R_Н - опір навантаження.

ККД характеризує економічність джерел живлення, рівний відношенню корисної вихідної потужності Р_кор до потужності, споживаної від мережі Р_спож.

, (1.3)

де Р_кор=І₀×U₀;

P_спож= І_спож×U_спож .

Перевірочні розрахунки та визначення параметрів якості випрямляючих пристроїв як складової частини джерел живлення виконуються з застосуванням методики при вихідних потужностях до сотень Ват. Початковими даними для розрахунку є: номінальна випрямлена напруга U₀, струм навантаження І₀, коефіцієнт пульсацій K_п, номінальна напруга мережі живлення U₁ і частота f=50 Гц. Значення U₀, І₀ визначаються параметрами апаратури.

Коефіцієнт пульсацій, що задається в розрахунку, не повинен перевищувати 0.15, а допустиме відносне значення змінної складової напруги для вибраних конденсаторів фільтра повинне бути не менш за 0.05.

Розрахунок починають з вибору вентилів. Для цього за наближеними формулами відповідно до таблиці 1.1 обчислюють значення зворотньої напруги на вентилях U_звор, середнього струму І_ср, амплітуди І_м струму через вентиль.

За знайденими U_звор і І_м вибирають випрямляючі діоди у відповідності з [ 2, с. 138-139 ], потім визначають опір навантаження

.(1.4)

Якщо опір і напруга навантаження задані, то шуканою величиною повинно бути значення струму в навантаженні.

Приймають опір обмоток трансформатора Rтр в межах (0.07-0,1)R_н для випрямлячів потужністю до 10 Вт і (0.05 - 0.08)R_н для випрямлячів потужністю до 10-100 Вт.

Знаходять прямий опір випрямляючого діода за наближеною формулою

, (1.5)

де U_пр- постійна пряма напруга на діоді.

Визначають активний опір фази випрямляча за формулами

, - для мостової схеми; (1.6)

- для решти схем. (1.7)

За параметрами r, R_Н визначають коефіцієнт А по таблиці 1.1 (дивись додаток).

У залежності від значення А знаходять допоміжні коефіцієнти В, D, F, Н за графіками відповідно до рисунків 1.1 і 1.2.

Рисунок 1.1 - Графіки для визначення коефіцієнтів В, D, F

1- для однонапівперіодної;2- для решти схем.

Рисунок 1.2 - Графік для визначення коефіцієнта Н

За точними формулами, наведених в таблиці 1.1, обчислюють значення зворотньої напруги на діодах U_звор, амплітуди І_м і І_ср через діоди, які не повинні перевищувати допустимих значень для вибраних діодів у відповідності з довідковими даними. У іншому випадку необхідно вибрати інші діоди і виконати розрахунок спочатку. За формулами таблиці 1.1 визначають значення напруги на вторинній обмотці трансформатора (в режимі холостого ходу) U_2х і ефективне значення струму вторинної обмотки І₂. Визначають вихідну ємність (вхідну ємність фільтра) С, мкФ, за формулою:

. (1.8)

1.3 Зміст роботи

У даній лабораторній роботі на основі теоретичних відомостей про параметри випрямляючих пристроїв необхідно освоїти методику розрахунку випрямляча і експериментально виміряти подвійну амплітуду змінної складової, постійну складову випрямленої напруги після випрямляючого пристрою, стабілізатора в блоках живлення, що досліджується в лабораторній роботі, вивчити їх конструктивне виконання; оцінити коефіцієнти пульсації за даними вимірювань, коефіцієнт сгладження пульсацій.

Виміряти споживаний струм і напругу від мережі, падіння напруги в блоках живлення під навантаженням, опір якого визначає опір резистора набору еквівалентів навантаження. Оцінити ККД блоків живлення. Зробити висновки про можливе поліпшення параметрів досліджених блоків живлення, удосконалення їх конструкцій й розширення функціональних можливостей.

Вивчивши функціональні можливості запропонованого викладачем джерела живлення, скласти керівництво з експлуатації.

Рисунок 1.3 - Схема блока живлення 15 В

Рисунок 1.4 - Схема блока живлення 9 В

1.5 Методичні вказівки з виконання лабораторної роботи

Для отримання практичних навичок з виконання перевірочних розрахунків та визначення параметрів якості джерел живлення проводять розрахунок випрямляючого пристрою з використанням початкових даних, запропонованого викладачем варіанту завдань у відповідності з таблицею 1.2.

Таблиця 1.2 – Варіанти завдань для розрахунку випрямляючого пристрою

Визначаються в виборі схеми випрямляючого пристрою з урахуванням потужності в навантаженні, величини коефіцієнта пульсацій: однонапівперіодна, двонапівперіодна, мостова, з подвоєнням напруги. Виконують розрахунки з визначення діодів-вентилів, результати можуть уточнюватися, або може бути прийнята інша схема випрямляючого пристрою (див. рекомендації п 1.2).

Для вимірювання напруги на виході блоків живлення на холостому ходу підключають вимірювальний прилад (мультиметр) до блоку живлення, що досліджується. Якщо використовують осцилограф, то заздалегідь перевіряють заземлення, прогрівають його протягом 1-2 хв.

На вимірювальний вхід осцилографа подають напругу з блока живлення (15 В, 9 В) в режимі відкритого входу осцилографа (« = » вимірювального тумблера). Виміряне значення U_{вих. хх.} заносять в таблицю 1.3.

Таблиця 1.3 Результати вимірювань та обчислень

Підключають еквівалент навантаження (резистор з набору еквівалентів навантаження) до виходу блоку живлення (15В) згідно рекомендацій з використання лабораторної установки.

Вимірюють напругу на виході блоку живлення під навантаженням осцилографом на його закритому вході («~» вимірювального тумблера) як подвійну амплітуду розмаху змінної складової.

Перемикають вимірювальний тумблер в положення «=» для осцилографа, або використовують мультиметр, вимірюють постійну складову випрямленої напруги на виході блоку живлення під навантаженням. Результати заносять у таблицю 1.3.

Підключають осцилограф (режим «~») для вимірювання подвійної амплітуди розмаху змінної складової до гнізд, які виведені після комплекту вентилів (відповідно схем рисунків 1.3 та 1.4). Роблять вимірювання, результати заносять в таблицю 1.3. Перемикають вимірювальний тумблер в положення «=» для осцилографа, або використовують мультиметр. Вимірюють постійну складову випрямленої напруги після комплекту вентилів.

Результати заносять в таблицю 1.3. Змінюють еквівалент навантаження з набору і проводять аналогічні вимірювання.

Оцінюють коефіцієнти пульсацій після комплекту вентилів (випрямляючого пристрою) і на виході блоку живлення. Розрахунки заносять у таблицю 1.3. Оцінюють коефіцієнт згладження пульсацій.

Використовуючи мультиметр, вимірюють напругу U_спож та струм І_спож, який споживає блок з навантаженням від мережі живлення. Результати вимірювань заносять у таблицю 1.3. Оцінюють ККД.

Повторюють вимірювання для блока живлення напругою 9 В. Результати вимірювань та розрахунків заносять у таблицю 1.3.

УВАГА! Після кожного вимірювання перевіряють положення променя осцилографа у вимірювальній площині (для цього з'єднують штекери вимірювальних з’єднувачів осцилографа, домагаються горизонтального нульового положення променя у вимірювальній площині).

Необхідно провести вимірювання не перегріваючи резистори набору еквівалентів навантаження.

1.6 Порядок виконання роботи

За заданим викладачем варіанту завдань (таблиця 1.2) зробити вибір схеми і розрахунки (по п. 1.2 та таблиці 1.1).

Вивчити функціональну побудову та конструктивне виконання запропонованого блоку живлення.

Використовуючи лабораторну установку, здійснити вимірювання і дослідження параметрів блоків живлення згідно рекомендацій п.1.5, результати навести у вигляді таблиці 1.3, де коефіцієнт пульсацій К_П, струм навантаження розраховується за формулами (1.1), (1.2). Оцінка коефіцієнта згладження здійснюється за даними коефіцієнтів пульсацій як відношення К_Пвент / К_{П вих}. Оцінка ККД - за формулою (1.3).

Вивчити функціональні можливості запропонованих викладачем блоків живлення, скласти керівництво з експлуатації згідно форми, наведеної у додатку А.

Оформити звіт згідно вимогам, наведеним у додатку Б.

1.7 Зміст звіту

Звіт повинен містити відомості про параметри і характеристики блоків живлення, засобах їх вимірювань, схеми розрахованих випрямляючих пристроїв і результати розрахунків, схеми блоків живлення, що досліджуються, і результати вимірювань та обчислень (таблиця 1.3), оцінку коефіцієнта пульсацій, згладження, ККД, висновки з роботи, керівництво з експлуатації запропонованого блока живлення, згідно форми, наведеної у додатку А. Звіт повинен відповідати вимогам до оформлення звіту, наведеним у додатку Б.

1.8Контрольні запитання та завдання

1. Перерахуйте відомі джерела живлення.

2. Які існують конструктивні особливості виконання пристроїв живлення різного функціонального призначення?

3. Наведіть необхідний функціональний склад пристроїв в імпульсному мережному блоці живлення

4. Перерахуйте складові частини випрямляючих пристроїв.

5. Перерахуйте основні параметри випрямляючих пристроїв.

6. Перерахуйте різновиди схем випрямляючих пристроїв.

7. Чим визначається вибір тієї або іншої схеми?

8. Як проводиться розрахунок випрямляючого пристрою, працюючого на ємнісне навантаження?

9. Від чого залежить коефіцієнт пульсацій і як його вимірюють?

Як виконується експлуатаційна настройка, складається керівництво з експлуатації блоків живлення?