Вторинні джерела живлення.

Мета: набути досвіду розрахунку, складання та налагодження вторинних джерел живлення. Здобути практичних навичок створення стабілізаторів напруги.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

Більшість електронних пристроїв потребують низьковольтного живлення постійним струмом, яке до того ж, протягом тривалого часу не повинно виходити за межі деяких визначених значень, тобто бути стабільним.

Іноді в якості первинних джерел електроживлення (особливо в апаратурі, що переноситься) використовують батареї гальванічних елементів. Під час роботи хімічна енергія елементів вичерпується, і в міру її зменшення напруга в ланках живлення змінюється. Якщо схема не допускає таких великих змін, виникає потреба в додаткових пристроях, які стабілізують напругу або струм, що споживається.

Для живлення стаціонарної апаратури використовують побутову мережну змінну напругу 220 В частотою 50 Гц, яка виробляється іншим первинним джерелом - електростанцією. Природно, цю напругу треба знизити, перетворити в постійну, позбутися пульсацій та стабілізувати. Можна відзначити, що нестабільність мережної напруги при „нормальному” функціонуванні може сягати 10% як в бік збільшення, так і в бік зменшення від номінального значення. Також можна поставити задачі витримування і більш суттєвих стрибків напруги.

Вторинне джерело живлення, що призначене для використання з побутовою мережею, складається з наступних блоків:

1. Перетворювач змінної напруги. Як правило, мова іде про зниження її значення, хоча трапляються і задачі її підвищення. В найпростішому випадку для перетворення використовується трансформатор. Після перетворювача напруга залишається змінною, проте її величина відповідає вимогам споживача.

2. Випрямляч. Задача випрямляча перетворити напругу змінної полярності на напругу однієї полярності. Після випрямляча напруга залишається змінною, проте знак напруги не змінюється. Таку напругу називають пульсуючою.

3. Стабілізатор. Завдання стабілізатора зменшити пульсації напруги, що надходить з випрямляча до значень, задовільних для споживача.

4. Споживач (навантаження). Хоча споживач безпосередньо не відноситься до джерела живлення, його параметри можуть суттєво впливати на режим роботи джерела. Відтак, джерело живлення призначається лише для певного класу споживачів з відповідними параметрами.

Робота трансформатора розглядається в шкільному курсі фізики і в рамках даної лабораторної роботи досліджуватись не буде. Для моделювання будемо використовувати генератор, в якому будемо відразу задавати необхідне значення напруги.

Розглянемо будову випрямлячів. В найпростішому варіанті в якості випрямляча використовується звичайний діод. На рис. 7.1 наведена схема найпростішого джерела живлення без стабілізатора.

Діод без змін пропускає сигнали однієї полярності і не пропускає інші. Відтак, після діода, тобто на навантаженні, спостерігається лише „половина” сигналу від генератора.

Такий випрямляч називають однонапівперіодним, оскільки він пропускає крізь себе лише одну половину періоду змінної напруги. Відповідно, половина енергії сигналу втрачається, що робить цей випрямляч енергетично невигідним. Однонапівперіодний випрямляч може використовуватись у задачах вимірювання, коли від сигналу має відбиратись мінімум енергії. Для задач живлення він не є ефективним.

Двонапівперіодний випрямляч складається з чотирьох діодів – так званого „діодного містка” (див. рис. 7.2). Оскільки діодні містки виготовляються у вигляді окремих деталей, у Electronics Workbench передбачена можливість використання містка як єдиного цілого. Принципової різниці не буде, якщо скласти місток з окремих діодів.

При будь-якій полярності вхідної напруги два з діодів відкриваються, два закриваються. Розміщення діодів обирається для узгодження полярності. Як результат, обидва півперіоди сигналу проходять крізь місток – позитивний без змін, негативний зі зміною полярності. Двонапівперіодний випрямляч використовує повну енергію змінної напруги, тому саме він рекомендується для практичного використання.

Стабілізатори.

В найпростішому випадку стабілізатори являють собою фільтри низьких частот (ФНЧ). Вони пропускають постійну складову (частота 0) та не пропускають пульсації (частота яких, очевидно, більша нуля).

На рис. 3 наведена схема джерела живлення з стабілізатором у вигляді ФНЧ – конденсатора, включеного паралельно до навантаження.

Як видно з осцилограм напруги на навантаженні пульсації тим менші, чим більша ємність конденсатора. Найпростіший спосіб досягти бажаного рівня пульсацій – підібрати конденсатор потрібної величини.

Слід відзначити, що для вимірювання пульсацій використовується відносна величина

(1)

яку можна подавати і у відсотках. Наприклад, на осцилограмах на рис. 7.3 величина пульсацій становить відповідно 100% ( ), 50% ( ), 30%.

Аналогічно можна використати ФНЧ для двонапівперіодного випрямляча. Оскільки в ньому проміжок розряду конденсатора менший, для нього і величина пульсацій буде меншою при інших однакових параметрах.

Додаткова стабілізація досягається з використанням спеціальних параметричних стабілізаторів. Одним з таких є діод-стабілітрон (Zener diode). Схема його включення у двонапівперіодний випрямляч з ФНЧ наведена на рис. 7.4.

Аналогічно до ситуації з звичайними діодами, каталог моделей стабілітронів досить великий, проте, їх параметри не відповідають дійсності. У вікні параметрів стабілітрона слід переконатись у наявності реальних параметрів: Zener test voltage – напруга стабілізації та Zener test current – робочий струм. При розрахунку кола слід мати на увазі, що напруга генератора має перевищувати напругу стабілізації діода, а обмежувальний резистор R1 повинен забезпечувати струм в межах робочого значення.

Наприклад, для зазначеного на рис. 7.4 стабілітрона напруга стабілізації становить 5.1 В, робочий струм 0.049 А. Значить обираємо напругу генератора на рівні 20 В. Тоді обмежувальний резистор забезпечить середній струм

(2)

Обравши R1=400 Ом, забезпечимо струм в стабілітроні І=15/400 = 0,0375 А, що, по-перше, менше за граничне значення та, по-друге, співвимірне з ним.

Осцилограма напруг на навантаженні наведена на рис. 7.5. Як видно, на загальній осцилограмі пульсацій навіть не видно. Для їх виявлення вмикаємо режим АС роботи осцилографа та підсилюємо сигнал. З другої осцилограми визначаємо 2 клітинки ∙ 5 мВ/клітинку = 10 мВ. З першої осцилограми U = 5 В. Значить величина пульсацій становить Р = 0.01/5 = 0.2%.

Коефіцієнтом стабілізації параметричного стабілізатора називають величину, що визначається як відношення рівня пульсацій на вході та виході стабілізатора

. (3)

Для встановлення величини пульсацій на вході стабілізатора слід відключити осцилограф від виходу стабілізатор (див. рис. 7.4) та підключити його до конденсатора (на виході діодного містка) та виміряти відповідні значення напруги та її пульсацій.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ЗАВДАННЯ	\|	ЗАВДАННЯ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.007 сек.