Лабораторная работа №1.

"Исследование вторичных источников электропитания"

1. Цель работы

1.1 Изучить основные схемы построения  источников питания приборных  устройств.

1.2 Провести сравнительный анализ работы различных схем источников питания.

2. Схемы построения источников питания

Источники питания предназначены для обеспечения электроэнергией требуемого качества приборных устройств. Представление о входящих в источник питания функциональных элементах дает структурная схема (рисунок 1).

Рисунок 1- Структурная схема источника питания

Первичный источник питания 1 представляет собой устройство, в котором вырабатывается электрическая энергия. Он является преобразователем одного вида неэлектрической энергии (механической, тепловой, химической и т.д.) в электрическую.

В качестве первичных источников могут использоваться электромашинные генераторы, тепловые генераторы, гальванические элементы и аккумуляторы. Напряжение на выходе первичного источника при  его работе зависит от подводимой к нему мощности и мощности, потребляемой нагрузкой, поэтому при больших колебаниях напряжения первичного источника в схему часто вводят стабилизатор первичного напряжения 2, в качестве которого могут использоваться стабилизаторы  переменного напряжения на магнитных усилителях или входные стабилизаторы постоянного напряжения на транзисторах.

Если первичный источник электропитания является источником постоянного тока для преобразования его в переменный, используя инвертор 3. Преобразование постоянного тока в переменный преследует три цели:

- возможность применения трансформатора 4 для гальванической развязки выходных звеньев от первичного источника;

- изменение до удобного значения напряжения, подаваемого на последующие  звенья;

- получение переменного напряжения повышенной частоты, что позволяет выполнять трансформатор с пониженной массой и габаритами.

Следующим звеном схемы является выпрямитель 5, превращающий переменное напряжение, полученное на выходе инвертора в повышенное или пониженное трансформатором, снова в постоянное. В выпрямителе используется свойство односторонней проводимости электрических вентилей, т.е. их способность пропускать ток преимущественно в одном направлении. В приборных устройствах в качестве вентилей чаще всего используют полупроводниковые диоды.

Выпрямитель не создает на своем выходе идеального постоянного напряжения. Помимо постоянной составляющей на его выходе присутствуют гармоники выпрямляемого переменного напряжения, называемые пульсациям. Для снижения пульсаций на выходе выпрямителя обычно включается сглаживающий фильтр 6.

Во многих случаях между фильтром и нагрузкой 8 в схему включают стабилизатор напряжения 7, который служит для поддержания постоянства напряжения на выходе независимо от колебания напряжения   на входе источника или тока нагрузки.

По приведенной схеме строится не каждый источник питания. Ряд звеньев может исключаться. Например, в простейшем случае источник может состоять из питаемого от сети трансформатора, выпрямителя и фильтра.

Схемы выпрямителей классифицируются по числу выпрямленных фаз переменного напряжения. Различают одно-, двух-, трех- и шестифазные схемы. Выпрямители с большим количеством фаз встречаются редко.

Основная однофазная схема (рисунок 2а) характеризуется относительно плохими показателями выпрямления. В ней плохо используется трансформатор, получаются большие пульсации выпрямленного напряжения, однако простота таких схем позволяет применять их для получения высоких напряжений при малых токах нагрузки.

Двухфазные схемы выпрямителей по сравнению с однофазными позволяют получить более высокую частоту пульсаций при меньшем их значении. Из них наиболее часто используются основная (рисунок 2б) и мостовая (рисунок 2в) схемы. В основной схеме две фазы по вторичной обмотке трансформатора получается благодаря выводу ее средней точки. Основной недостаток основной схемы состоит в необходимости симметрирования вторичных обмоток трансформатора.

Мостовая схема строится на одной вторичной обмотке трансформатора, поэтому она характеризуется простотой конструкции двухобмоточного трансформатора и отсутствием вынужденного подмагничивания обмоток.

 

а)

б)

в)

Рисунок 2 - Основные схемы выпрямителей источников питания.

Для уменьшений пульсаций выпрямленного напряжения между выпрямителем и нагрузкой включается сглаживающий фильтр, пропускающий с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.

Сглаживающее действие фильтра оценивается коэффициентом сглаживания, который равен отношению коэффициентов пульсаций на входе  и  фильтра:

Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды первой гармоники пульсаций и постоянной составляющей выпрямленного напряжения:

;

где U0 и U´0 - среднее значение выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра;

Uп и U´п   - амплитуда первой гармоники пульсаций на входе и выходе фильтра.

Наиболее широко используются Г - и П - образные фильтры, составленные из реактивных элементов, обладающих малыми активными потерями (рисунок 3).



Рисунок 3 - Основные схемы сглаживающих фильтров источников питания

3 Оборудование для проведения работы.

Трансформатор

Набор выпрямительных вентилей

Набор активных сопротивлений и конденсаторов

Катушка индуктивности

Осциллограф

4 Порядок выполнения работы.

4.1. Собрать схему источника питания с однофазным выпрямителем и Г – образным LC – фильтром.

4.2. Получить на экране осциллографа и зарисовать изображение сигнала на входе и выходе выпрямителя и фильтра.

4.3. По коэффициентам пульсаций на входе и выходе фильтра рассчитать коэффициент сглаживания.

4.4. Провести аналогичные измерения для Г – образного RC – фильтра,  П – образных LC -  и  RC – фильтров.

4.5. Собрать схему источника питания с двухфаным выпрямителем и Г – образным LC – фильтром.

4.6. Получить на экране осциллографа изображение сигнала на выходе и входе выпрямителя, на выходе выпрямителя, на выходе фильтра, зарисовать полученные изображения.

4.7.  Провести аналогичные измерения для Г – образного RC – фильтра,  П – образных LC -  и  RC – фильтров.

4.8  Сравнить полученные результаты и сделать выводы по работе.

5 Содержание отчета.

Название и цель работы

Общие положения из теории

Оборудование для проведения работы

Схемы опытов с результатами расчетов и временные диаграммы

Выводы по работе.

Контрольные вопросы для самопроверки.

1. Структурная схема источников питания и функциональное назначение его звеньев.

2. Однофазная схема выпрямления, ее преимущества и недостатки.

3. Основная двухфазная схема выпрямления, ее преимущества и недостатки.

4. Мостовая схема выпрямления, ее преимущества и недостатки.

5. Схемы сглаживающих фильтров и особенности их работы.

6. Что такое коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания?

7. Временные диаграммы при одно – и двухфазном выпрямлении.

Литература.

1 А.И. Иванов-Цыганов Электропреобразовательные устройства РЭС.- М., “Высшая школа”, 1991

2 Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И.Конева.- М., Радио и связь, 1983