Методические указания клабораторной работе № 1
1ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ. ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ
1.1 Мета роботи
Метою роботи є:
- вивчення принципів перетворення змінноїнапруги в постійну;
- вивчення основ функціональної побудови джерелживлення;
- придбання практичних навичок з виконанняперевірочних розрахунків та визначення параметрів якості джерел живлення;
- вивчення конструктивного виконаннявипрямлячів, інверторів, фільтрів, стабілізаторів, їх з'єднань в блокахживлення пристроїв різного функціонального призначення;
- придбання практичних навичок з визначенняпараметрів джерел живлення різних функціональних схем;
- вивчення функціональних можливостей джерелживлення і складання керівництва з експлуатації.
1.2Методичні вказівки з підготовки до лабораторної роботи
При підготовці долабораторної роботи необхідно вивчити теоретичний матеріал, який міститься вконспекті лекцій і літературі, що рекомендується [1, с. 157-195].
При вивченніматеріалу потрібно звернути увагу на те, що первинні (до них відносятьгальванічні елементи і батареї з них) і вторинні (акумулятори) хімічні джереластруму характеризуються такими основними параметрами, як електрорухома сила(ЕРС), початкова (кінцева) напруга, внутрішній опір, ємність, термін зберігання(для акумуляторів — збереження); додатково для акумуляторів — віддачаакумулятора по ємності, віддача по енергії, термін служби, термін придатності.
Необхідно пам'ятати,що в джерелах живлення приймально-підсилювальної апаратури знаходятьзастосування випрямляючі пристрої, що конструктивно об'єднують трансформаторживлення, комплект вентилів, згладжувальний фільтр. Часто в літературі випрямляючі пристрої називаютьвипрямлячами. Використання цього терміну в лабораторній роботі має зміст тількияк комплект вентилів.
Випрямляючі пристроїслужать для перетворення змінної напруги в постійну. Основними параметрами випрямляючих пристроїв є:номінальна напруга, частота живлючої мережі і їх відхилення від номінальнихзначень; повна потужність, яка споживана від мережі живлення при номінальномунавантаженні; номінальна вихідна напруга; номінальний струм навантаження, їхвідхилення від номінальних значень; коефіцієнт корисної дії (ККД); коефіцієнтпульсацій.
За використаноюсхемою розрізняють випрямляючі пристрої однонапівперіодні, двонапівперіодні звиведенням середньої точки, мостові, з подвоєнням напруги. Частіш за все вони виконуються зізгладжувальним фільтром, що починається з конденсатора, отже, працюють наємнісне навантаження. Використовуються для отримання напруги відодиниць вольт до десятків кіловольт.
Потрібно знати, щовибір 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 потрібенмалий коефіцієнт пульсацій, застосовують однонапівперіодну (однофазну) схемувипрямляча. Двонапівперіодну схему з виведенням середньої точки (двофазну)застосовують частіше за все при потужностях до 100 Вт і величинах напруг до400-500 В. Однофазна мостова схема характеризується хорошим використаннямпотужності трансформатора, тому рекомендується при потужностях в навантаженнідо 1000 Вт і більш. Симетричну схему з подвоєнням напруги застосовують частішеза все при потужностях в навантаженні до 1000 Вт і випрямлених напругах вище за500-600В.
Згладжувальніфільтри використовують для зменшення пульсації випрямлених напруг. Вони складаються з дроселя і конденсатора абоз резистора і конденсатора, також використовуються фільтри на транзисторах, діяяких заснована на тому, що опір транзистора між емітером і колектором длязмінної складової випрямленого струму у багато разів більше, ніж для постійної.Параметром якості фільтра є коефіцієнт згладження, який дорівнює відношеннюкоефіцієнта пульсацій на вході до коефіцієнта пульсацій на виході.
Стабілізаторинапруги є конструктивною частиною блоків живлення і використовуються дляавтоматичної підтримки рівня постійної напруги. Основними параметрами стабілізаторів є: коефіцієнтнестабільності по напрузі, коефіцієнт нестабільності по струму, коефіцієнтстабілізації напруги, вихідний опір, ККД, коефіцієнт згладження пульсацій (маєте ж значення, що і для фільтрів). У залежності від необхідного коефіцієнтастабілізації струмів і напруги в навантаженні використовують різні видистабілізаторів: напівпровідникові параметричні, компенсаційні, імпульсні.
Перетворювачі постійної напругидозволяють набути різних значень напруги. Конструктивно вони складаються зінвертора, що перетворює напругу в напругу прямокутної форми, і випрямляча. Узалежності від необхідної потужності в навантаженні використовуютьперетворювачі: однотактні з транзисторним ключем, однотактні зширотно-імпульсною стабілізацією, двотактні, безтрансформаторні. Імпульснімережні блоки живлення конструктивно об'єднують безтрансформаторні випрямлячі,фільтри, імпульсні стабілізатори напруги, інвертори.
Для перерахованихпристроїв знаходять застосування випрямлячі (випрямляючі пристрої), якість якихвизначається коефіцієнтом пульсацій, коефіцієнтом згладження (для фільтрів істабілізаторів, який розраховується як відношення коефіцієнтів пульсацій). Коефіцієнт пульсацій — відношення амплітудипершої гармоніки змінної складової випрямленої напруги до її постійноїскладової. Іноді визначають коефіцієнт пульсацій як відношення подвійноїамплітуди змінної складової 2Uм.вих до постійної складової U0.Подвійна амплітуда змінної складової вимірюється як сума позитивної інегативної напівхвиль змінної складової випрямленої напруги. Розраховуєтьсякоефіцієнт пульсацій за формулою
/>. (1.1)
Струм навантаження
/>,(1.2)
де RН — опірнавантаження.
ККД характеризує економічністьджерел живлення, рівний відношенню корисної вихідної потужності Ркордо потужності, споживаної від мережі Рспож.
/>, (1.3)
де Ркор=І0×U0;
Pспож= Іспож×Uспож .
Перевірочні розрахунки тавизначення параметрів якості випрямляючих пристроїв як складової частини джерелживлення виконуються з застосуванням методики при вихідних потужностях досотень Ват. Початковими даними для розрахунку є: номінальна випрямлена напругаU0, струм навантаження І0, коефіцієнт пульсацій Kп,номінальна напруга мережі живлення U1 і частота f=50 Гц. Значення U0,І0визначаються параметрами апаратури.
Коефіцієнтпульсацій, що задається в розрахунку, не повинен перевищувати 0.15, а допустимевідносне значення змінної складової напруги для вибраних конденсаторів фільтраповинне бути не менш за 0.05.
Розрахунок починають з виборувентилів. Для цього за наближеними формулами відповідно до таблиці 1.1обчислюють значення зворотньої напруги на вентилях Uзвор, середньогоструму Іср, амплітуди Ім струму через вентиль.
За знайденими Uзвор і Імвибирають випрямляючі діоди у відповідності з [ 2, с. 138-139 ], потімвизначають опір навантаження
/>.(1.4)
Якщо опір і напруганавантаження задані, то шуканою величиною повинно бути значення струму внавантаженні.
Приймають опіробмоток трансформатора Rтр в межах (0.07-0,1)Rн для випрямлячівпотужністю до 10 Вт і (0.05 — 0.08)Rн для випрямлячів потужністю до 10-100 Вт.
Знаходять прямийопір випрямляючого діода за наближеною формулою
/> , (1.5)/>
де Uпр — постійна пряманапруга на діоді.
Визначають активнийопір фази випрямляча за формулами
/>, — для мостової схеми; (1.6)
/> - для решти схем. (1.7)
За параметрами r, RНвизначають коефіцієнт А по таблиці 1.1 (дивись додаток).
У залежності відзначення А знаходять допоміжні коефіцієнти В, D, F, Н за графіками відповіднодо рисунків 1.1 і 1.2.
/>
Рисунок 1.1 — Графіки длявизначення коефіцієнтів В, D, F
/>
1- дляоднонапівперіодної; 2- для решти схем.
Рисунок 1.2 — Графік для визначення коефіцієнта Н
За точнимиформулами, наведених в таблиці 1.1, обчислюють значення зворотньої напруги надіодах Uзвор, амплітуди Ім і Іср через діоди,які не повинні перевищувати допустимих значень для вибраних діодів увідповідності з довідковими даними. У іншому випадку необхідно вибрати інші діоди і виконати розрахунокспочатку. За формулами таблиці 1.1 визначають значення напруги на вториннійобмотці трансформатора (в режимі холостого ходу) U2х і ефективнезначення струму вторинної обмотки І2. Визначають вихідну ємність(вхідну ємність фільтра) С, мкФ, за формулою:
/>. (1.8)
1.3Зміст роботи
У даній лабораторній роботі наоснові теоретичних відомостей про параметри випрямляючих пристроїв необхідноосвоїти методику розрахунку випрямляча і експериментально виміряти подвійнуамплітуду змінної складової, постійну складову випрямленої напруги післявипрямляючого пристрою, стабілізатора в блоках живлення, що досліджується влабораторній роботі, вивчити їх конструктивне виконання; оцінити коефіцієнтипульсації за даними вимірювань, коефіцієнт сгладження пульсацій.
Виміряти споживаний струм інапругу від мережі, падіння напруги в блоках живлення під навантаженням, опірякого визначає опір резистора набору еквівалентів навантаження. Оцінити ККДблоків живлення. Зробити висновки про можливе поліпшення параметрів дослідженихблоків живлення, удосконалення їх конструкцій й розширення функціональнихможливостей.
Вивчивши функціональні можливостізапропонованого викладачем джерела живлення, скласти керівництво зексплуатації.
/>
Рисунок 1.3 — Схема блока живлення15 В
/>
Рисунок 1.4 — Схема блока живлення 9 В
1.5Методичні вказівки звиконання лабораторної роботи
Для отримання практичнихнавичок з виконання перевірочних розрахунків та визначення параметрів якостіджерел живлення проводять розрахунок випрямляючого пристрою з використаннямпочаткових даних, запропонованого викладачем варіанту завдань у відповідності зтаблицею 1.2.
Таблиця 1.2 – Варіанти завдань длярозрахунку випрямляючого пристрою
Варіант/> завдання
U0, В
І0, А
KП 1 9 0.3 0.1 2 15 0.5 0.1 3 36 2 0.15 4 24 3 0.15 5 25 4 0.15 6 300 0.2 0.1 7 550 0.1 0.1 8 14 2 0.15 9 12 0.5 0.1 10 6 0.2 0.15
Визначаються в виборі схемивипрямляючого пристрою з урахуванням потужності в навантаженні, величиникоефіцієнта пульсацій: однонапівперіодна, двонапівперіодна, мостова, зподвоєнням напруги. Виконують розрахунки з визначення діодів-вентилів,результати можуть уточнюватися, або може бути прийнята інша схема випрямляючогопристрою (див. рекомендації п 1.2).
Для вимірюваннянапруги на виході блоків живлення на холостому ходу підключають вимірювальний прилад(мультиметр) до блоку живлення, що досліджується. Якщо використовуютьосцилограф, то заздалегідь перевіряють заземлення, прогрівають його протягом1-2 хв.
На вимірювальний вхід осцилографаподають напругу з блока живлення (15 В, 9 В) в режимі відкритого входуосцилографа (« = » вимірювального тумблера). Виміряне значення Uвих. хх.заносять в таблицю 1.3.
Таблиця 1.3 Результати вимірюваньта обчислень/>Блок Виміряне
RН=20 Ом жив- значення
2UМ.ВИХ, В
U0, В
КП
І0, А
Іспож, А
Uспож, В лення
UВИХ.ХХ вих вент. вих. вент. вих. вент.
Uвих.
15В
Uвих.
9 В Блок Виміряне
RН=30 Ом жив- значення
2UМ.ВИХ, В
U0, В
КП
І0, А
Іспож, А
Uспож, В лення
UВИХ.ХХ вих. вент. вих. вент. вих. вент.
Uвих.
15В
Uвих.
9 В
Підключають еквівалентнавантаження (резистор з набору еквівалентів навантаження) до виходу блокуживлення (15В) згідно рекомендацій з використання лабораторної установки.
Вимірюють напругуна виході блоку живлення під навантаженням осцилографом на його закритому вході(«~» вимірювального тумблера) як подвійну амплітуду розмаху змінної складової.
Перемикають вимірювальний тумблерв положення «=» для осцилографа, або використовують мультиметр, вимірюютьпостійну складову випрямленої напруги на виході блоку живлення піднавантаженням. Результати заносять у таблицю 1.3.
Підключають осцилограф (режим «~»)для вимірювання подвійної амплітуди розмаху змінної складової до гнізд, яківиведені після комплекту вентилів (відповідно схем рисунків 1.3 та 1.4).Роблять вимірювання, результати заносять в таблицю 1.3. Перемикають вимірювальнийтумблер 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 пульсаційпісля комплекту вентилів (випрямляючого пристрою) і на виході блоку живлення.Розрахунки заносять у таблицю 1.3. Оцінюють коефіцієнт згладження пульсацій.
Використовуючи мультиметр,вимірюють напругу Uспож та струм Іспож, який споживаєблок з навантаженням від мережі живлення. Результати вимірювань заносять у таблицю1.3. Оцінюють ККД.
Повторюютьвимірювання для блока живлення напругою 9 В. Результати вимірювань та розрахунків заносять утаблицю 1.3.
УВАГА! Після кожного вимірювання перевіряютьположення променя осцилографа у вимірювальній площині (для цього з'єднуютьштекери вимірювальних з’єднувачів осцилографа, домагаються горизонтальногонульового положення променя у вимірювальній площині).
Необхідно провестивимірювання не перегріваючи резистори набору еквівалентів навантаження.
1.6Порядок виконання роботи
За заданим викладачем варіантузавдань (таблиця 1.2) зробити вибір схеми і розрахунки (по п. 1.2 та таблиці1.1).
Вивчити функціональну побудову таконструктивне виконання запропонованого блоку живлення.
Використовуючи лабораторнуустановку, здійснити вимірювання і дослідження параметрів блоків живленнязгідно рекомендацій п.1.5, результати навести у вигляді таблиці 1.3, декоефіцієнт пульсацій КП, струм навантаження розраховується заформулами (1.1), (1.2). Оцінка коефіцієнта згладження здійснюється за данимикоефіцієнтів пульсацій як відношення КПвент / КПвих. Оцінка ККД — за формулою (1.3).
Вивчити функціональні можливостізапропонованих викладачем блоків живлення, скласти керівництво з експлуатаціїзгідно форми, наведеної у додатку А.
Оформити звіт згідно вимогам,наведеним у додатку Б.
1.7Зміст звіту
Звіт повинен міститивідомості про параметри і характеристики блоків живлення, засобах їхвимірювань, 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 зроботи, керівництво з експлуатації запропонованого блока живлення, згідно форми, наведеної у додатку А. Звітповинен відповідати вимогам до оформлення звіту, наведеним у додатку Б.
1.8 Контрольні запитання та завдання
1. Перерахуйте відомі джерела живлення.
2. Які існують конструктивні особливостівиконання пристроїв живлення різного функціонального призначення?
3. Наведіть необхідний функціональний складпристроїв в імпульсному мережному блоці живлення
4. Перерахуйте складові частини випрямляючихпристроїв.
5. Перерахуйте основні параметри випрямляючихпристроїв.
6. Перерахуйте різновиди схем випрямляючихпристроїв.
7. Чим визначається вибір тієї або іншої схеми?
8. Як проводиться розрахунок випрямляючогопристрою, працюючого на ємнісне навантаження?
9. Від чого залежить коефіцієнт пульсацій і якйого вимірюють?
Як виконується експлуатаційнанастройка, складається керівництво з експлуатації блоків живлення?