МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» В. Н. РОГОВ, Д. С. ВОЛЧКОВА, Р. В. АХМЕТСАГИРОВ УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ Лабораторный практикум в среде Multisim Ульяновск УлГТУ 2019 1 УДК 621.396.6:621.311.6 (076) ББК 32.844 я7 Р 63 Рецензент директор Ульяновского филиала ИРЭ РАН имени академика В. А. Котельникова, д-р техн. наук В. А. Сергеев Рекомендовано научно-методической комиссией радиотехнического факультета в качестве лабораторного практикума Р63 Рогов, Виктор Николаевич Устройства электропитания радиоэлектронных средств: лабораторный практикум в cреде Multisim / В.Н. Рогов, Д.С. Волчкова, Р.В. Ахметсагиров. – Ульяновск : УлГТУ, 2019. − 46 с. Лабораторный практикум разработан в соответствии с программами дисциплин «Электропреобразовательные устройства радиотехнических систем» для направления 11.03.01 «Радиотехника», «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» для направления 11.02.11 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и «Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств» для специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы». В нем изложены вопросы, связанные с изучением принципов работы основных узлов вторичных источников питания в среде Multisim. Подготовлен на кафедре «Радиотехника» и предназначен для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлениям 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы». УДК 621.396.6:621.311.6 (076) ББК 32.844 я7 © Рогов В.Н., Волчкова Д.С., Ахметсагиров Р.В., 2019 © Оформление. УлГТУ, 2019 2 СОДЕРЖАНИЕ Правила выполнения лабораторных работ............................................................ 4 Общие сведения о вторичных источниках электропитания ........................... 7 Руководство пользователя программой «MULTISIM 12.0» ........................... 14 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «Исследование выпрямителей» ..................................................................... 19 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 «Исследование сглаживающих фильтров» ............................................... 26 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «Исследование параметрических стабилизаторов» ............................... 35 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «Исследование компенсационных стабилизаторов» ............................. 40 Список рекомендуемой литературы ........................................................................ 46 3 ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 1.1. Подготовка к работе При подготовке к работе следует: – по конспектам лекций и рекомендованной литературе изучить теоретический материал, относящийся к данной лабораторной работе; – ознакомиться с описанием, выполнить расчетную часть работы и продумать ответы на контрольные вопросы; – составить краткую программу выполнения лабораторной работы, сопроводив ее графиками зависимостей, которые должны определяться экспериментально; – ознакомиться с применяемой в работе программой Multisim 11.02 или 12.0. 1.2. Выполнение работ в лаборатории Лабораторные работы выполняются только в часы, предусмотренные расписанием, бригадами по 1-2 человека. Выполнение работы предшествует проверка готовности студента. При этом студент должен представить все материалы, подготовленные в соответствии с п.1, и ответить на вопросы преподавателя по теории предстоящей работы и методике ее выполнения. Если результаты проверки будут признаны удовлетворительными, студент получает допуск к работе. В противном случае студент во время лабораторных занятий готовится к работе. 4 Работа в лаборатории считается законченной только после просмотра и утверждении полученных результатов преподавателем. По окончании работы студент должен сохранить свой рабочий файл под своей фамилией и выйти из программы, а затем привести рабочее место в порядок. 1.3. Техника безопасности при проведении работ Выполнение лабораторных работ в лаборатории с использованием электрических напряжений, которые могут привести к несчастным случаям. Поэтому студенты допускаются к выполнению лабораторных работ после инструктажа по технике безопасности. Инструктаж проводится преподавателем в соответствии с инструкцией ИОТ-172-10, и проведение инструктажа подтверждается личной подписью студента в специальном журнале. Также проводится противопожарный инструктаж по инструкции ИПБ-152-10. Лица, не выполняющие правила техники безопасности или допускающие их нарушение в отношении других лиц, от работы отстраняются и привлекаются к ответственности. Учебные работы в лаборатории без преподавателя или лаборанта выполнять запрещено. Включение компьютеров производится только с разрешения преподавателя. Перед выполнением работы необходимо убедиться в надежности заземления компьютера. Запрещается покидать рабочее место и оставлять без присмотра включенные компьютеры. 5 Запрещается загромождать рабочее место одеждой, портфелями, книгами и другими вещами, не относящимися к выполняемой работе. Запрещается ходить без дела в лаборатории и отвлекать товарищей разговорами. При обнаружении неисправности необходимо немедленно прекратить работу, отключить питающее напряжение и сообщить об этом преподавателю. Если произошел несчастный случай, то необходимо немедленно: а) снять напряжении со схемы путем отключения; б) сообщить преподавателю или лаборанту; в) оказать первую медицинскую помощь пострадавшему; г) вызвать по телефону 03 скорую помощь. 1.4. Оформление отчета и зачет по работе Отчет о выполненной работе должен быть составлен индивидуально на листах писчей бумаги формата А4. Экспериментальные результаты представляются в виде данных компьютера и в распечатанном виде вставляются в отчет. Расчету отдельных величин должно предшествовать краткое объяснение. Зачет по лабораторной работе студент получает только после представления отчета, в котором обязательно должны быть сделаны выводы о проделанных экспериментах. 6 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Характерной особенностью современных радиотехнических устройств является то, что они содержат большое количество разнообразных полупроводниковых и других элементов, для питания которых требуются напряжения переменного и постоянного тока. Для получения различных напряжений постоянного тока используют выпрямители с электрическими диодами, при помощи которых переменный ток преобразуют в постоянный. Различные напряжения переменного тока получают при помощи трансформаторов. Современная радиоаппаратура обычно предъявляет высокие требования к постоянству выходных напряжений или токов выпрямителей и источников переменного тока. В связи с этим источники электропитания часто снабжаются специальными устройствами — стабилизаторами, обеспечивающими постоянство выходных напряжений или токов с определенной степенью точности. Все применяемые на практике источники электропитания радиоаппаратуры могут быть классифицированы по следующим признакам: По роду тока источники: постоянного тока, переменного тока. По напряжению на источники: низкого напряжения (до 100 В), среднего напряжения (100–1 000 В), высокого напряжения (свыше 1 000 В). 7 По мощности на источники: малой мощности (до 100 Вт), средней мощности .(100–2000 Вт), большой мощности (более 2 000 Вт). По степени постоянства выходного напряжения: нестабилизированные стабилизированные. Источники постоянного тока (выпрямители) различаются: По числу фаз питающей сети: однофазные, многофазные. По типу вентилей на источники: электронными вентилями, ионными вентилями, полупроводниковыми вентилями, По схеме выпрямления: однополупериодную, двухполупериодную с выводом средней точки, однофазную мостовую, удвоения, трехфазную с нулевым выводом, трехфазную мостовую. По типу сглаживающего фильтра на источники с: емкостными, индуктивными, 8 индуктивно-емкостными, активно-емкостными фильтрами. По величине пульсации выпрямленного напряжения на источники с: малыми пульсациями (до 0,1 %), средними пульсациями (0,1–2 %), повышенными пульсациями (свыше 2 %). Стабилизированные источники различаются: По роду тока: стабилизаторы постоянного тока, стабилизаторы переменного тока. По методу стабилизации: параметрические, компенсационные, комбинированные. По точности стабилизации (от действия верх дестабилизирующих факторов): стабилизаторы низкой точности (5–2%), средней точности (2,0–0,5%), высокой точности (0,5–0,1%), прецизионные (менее 1–0,1%). По способу включения регулирующего элемента относительно нагрузки: последовательные, параллельные, последовательно-параллельные. 9 По стабилизируемому параметру: стабилизаторы напряжения, стабилизаторы тока. По виду регулирующего элемента стабилизаторы напряжения или тока компенсационного типа подразделяются на: электронные (ламповые, транзисторные и тиристорные), ионные, дроссельные, комбинированные (дроссельно-электронные). Приведенная классификация источников питания по напряжению, мощности, величине пульсации и точности стабилизации является условной. Требования, предъявляемые к источникам электропитания К источникам электропитания радиотехнической аппаратуры предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает получение заданных электрических параметров, а также необходимых эксплуатационных, конструктивных и производственно- технологических характеристик. Заданными электрическими параметрами являются: 1)выходное напряжение и мощность, 2)допустимый коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (для источников постоянного напряжения), 3)допустимая нестабильность выходного напряжения (для стабилизированных источников питания), 10 4) пределы регулирования выходного напряжения (для регули- руемых источников питания), 5) внешняя характеристика (зависимость выходного напряжения от тока нагрузки), 6) частотная характеристика (зависимость внутреннего сопротивления от изменения частоты тока нагрузки), 7) энергетические характеристики (КПД и коэффициент мощности). К числу эксплуатационных требований, предъявляемых к источникам электропитания, относятся: 1) работоспособность в условиях воздействия Климатических и механических факторов (температуры, давления, влажности, вибраций, ударов и др.), 2) надежность в работе, определяемая выбранными для электрической схемы элементами, их рабочими режимами, электрической схемой, конструкцией и технологией изготовления всего прибора в целом, 3) восстанавливаемость электрических параметров после снятия перегрузки или короткого замыкания, 4) обеспечение заданных выходных характеристик при смене элементов (электронных ламп, полупроводниковых приборов, сопротивлений, конденсаторов и др.), 5) простота обслуживания (т. е. управления, регулировки и ремонта), 6) безопасность обслуживания (для источников электропитания среднего и высокого напряжения). Основными требованиями, предъявляемыми к источникам электропитания (блокам питания) радиоаппаратуры, являются: 11 1) простота и удобство управления, 2) свободный доступ к элементам, узлам и приборам, входящим в блок питания, 3) удобство замены съемных элементов, 4) обеспечение отвода тепла от нагревающихся элементов блока питания, 5) минимальные габаритные размеры, вес и стоимость блока. В процессе проектирования блоков питания радиоаппаратуры должны быть учтены и производственно-технические требования, основными из которых являются: 1) максимальное использование в схеме стандартизованных и нормализованных узлов и деталей, освоенных производством, 2) технологичность конструкции минимальные затраты рабочей силы и материалов на изготовление, возможность изготовления на универсальном оборудовании и с использованием простых инструментов оборудовании и с использованием простых инструментов, 3) взаимозаменяемость узлов и деталей, 4) возможность независимой регулировки отдельных узлов источников питания. Все перечисленные выше требования (за исключением требований обеспечения конкретных выходных электрических параметров) являются обязательными и общими для любого вида радиоэлектронной аппаратуры. Следует отметить, что практически не всегда можно обеспечить полное выполнение всех перечисленных выше требований для любого из проектируемых устройств, так как некоторые из них являются 12 противоречивыми. Так, например, обеспечение высокой надежности требует снижения загрузки входящих в схему элементов, что приводит к увеличению габаритных размеров и веса прибора в целом. Поэтому основной задачей разработчика является отыскание оптимального решения, при котором наряду с получением заданных электрических параметров обеспечивается максимально возможное удовлетворение перечисленных выше эксплуатационных, конструктивных и производственно-технических требований. 13 РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОГРАММОЙ «MULTISIM 12.0» Интерфейс программного комплекса Multisim 12.0 Внешний интерфейс пользователя Multisim Рис. 1. Пользовательский интерфейс программы Multisim Приложение Multisim представляет собой средство программной разработки и имитации электрических цепей. 14 Окно разработки В окне разработки находятся средства управления различными элементами схемы. Закладка Проект (Project) содержит информацию о текущем проекте, закладка Иерархия (hierarchy) отображает связь 11 между файлами проекта в виде древа. Закладка Доступность (Visibility) позволяет скрыть или отобразить слои схемы рабочей области. Исследуемая схема отображается в окне схемы (см. рис. 2.1). Глобальные настройки Доступ к глобальным настройкам осуществляется из строки меню (Options/ Global Preferences): Paths (Путь) – позволяет указать путь к файлам баз данных, Save (Сохранить) – позволяет настроить временной период автоматического сохранения, а также установить необходимость записи данных эмуляции вместе с прибором, Parts (Компоненты) – позволяет выбрать режим размещения компонентов и стандарт символов – ANSI или DIN, General (Общие) – общие настройки инструментов выбора и соединения компонентов. Настройки листа Окно настройки свойств страницы также можно открыть из строки меню (Options/Sheet Properties). Эта опция используется для изменения свойств каждого листа. Свойства сохраняются вместе с файлом схемы, поэтому настройки не изменятся, если открыть проект на другом компьютере 15 Circuit (Схема) – позволяет настроить цветовую схему и внешний вид текста, Workspace (Рабочее пространство) – позволяет настроить размер листа и его свойства, Wring (Соединение) – настройки соединений и шины, Font (Шрифт) – настройки шрифта, PCB – настройки печатной платы. Настройка интерфейса В MULTISIM имеется возможность детальной настройки интерфейса пользователя. Для настройки пользовательского интерфейса выберете пункт Options/Customize User Interface (Опции/настроить пользовательский интерфейс). Здесь можно создавать и изменять инструментальные панели, задавать горячие клавиши, изменять систему меню вплоть до контекстных меню разных объектов. Создание схемы Процесс создания схемы начинается с размещения в рабочем поле программы компонентов из библиотеки. В MULTISIM все компоненты поделены на разделы. Разные подразделы компонентов могут быть вызваны как с помощью иконок на панели компонентов, так и через основное меню программы (Place/Component). 16 Рис. 2. Окно выбора компонентов Любой элемент можно вращать или отражать, это делается с помощью соответствующих пунктов контекстного меню (Вызывается нажатием правой кнопкой мыши на элементе). Связь между компонентами прокладывается с помощью инструмента Wire (Проводник). Его можно вызвать из строки меню (Place/Wire) или с помощью сочетания Ctrl+Q. Место стыка можно установить инструментом Junction (Стык), доступ к нему также осуществляется через строку меню или сочетанием Ctrl+J. 17 Доступ к виртуальным приборам осуществляется через панель инструментов, которая по умолчанию располагается справа от рабочего поля. Мультиметр (Multimeter), Генератор сигналов (Function Generator), Осциллограф (Oscilloscope), Построитель частотных характеристик (BodePlotter), Спектральный анализатор (Spectrum Analyzer), Ваттметр (Wattmeter) Токовый пробник (Current Probe) и Измерительный пробник (Measuring Probe). 18 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ» Цель работы: Исследование работы выпрямителей переменного напряжения на примере схем: однополупериодной, двухполупериодной со средней точкой, однофазной мостовой. Сведения из теории: Выбор той или иной схемы источника напряжения вторичного питания обусловлен параметрами питающей сети, требованиями к выходным электрическим параметрам, конструктивными особенностями устройства, температурным диапазоном работы, сроком службы, гарантированной надежностью и перечнем разрешенных к применению или имеющихся в распоряжении разработчика элементов. Выбор схемы, удовлетворяющей поставленным требованиям, является задачей, имеющей множество решений. В зависимости от мощности, напряжения, допустимой пульсации и т. д. применяются различные схемы выпрямления. Однополупериодная схема является простейшей схемой выпрямителя. Из-за низкого коэффициента использования выпрямительного трансформатора полной величины коэффициента пульсации (сглаживание пульсации осуществляется включенной на выход выпрямителя емкостью или П-образным RC-фильтром). Эта схема, хотя и применяется в некоторых случаях для выпрямленных напряжений до нескольких сотен вольт, при токах в нагрузке до 10 мА и нежестких требованиях к пульсации широкого распространения не получила. 19 Рис. 1.1. Однополупериодная схема Двухполупериодная схема с выводом средней точки дает несколько больший коэффициент использования выпрямительного трансформатора и меньшую по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя пульсацию вдвое большей частоты тока питающей сети. Двухполупериодный выпрямитель применяют для получения выпрямленных напряжений до нескольких сотен вольт при токах нагрузки до нескольких сотен миллиампер. Фильтр выпрямителя может быть как с емкостной (ток нагрузки до 200–300 мА) так и с индуктивной реакцией. При высоких напряжениях в двухполупериодных выпрямителях часто применяют двуханодные кенотроны. Для получения выпрямленных напряжений в несколько десятков вольт при токах нагрузки до нескольких десятков 20 миллиампер целесообразно применение двухполупериодной схемы с полупроводниковыми вентилями. По сравнению с однофазной мостовой схемой здесь получается выигрыш в количестве вентилей. Рис. 1.2. Двухполупериодная схема со средней точкой Однофазная мостовая схема находит наиболее широкое применение при питании от однофазной сети. Обычно эта схема выполняется на полупроводниковых вентилях. Следовательно, для этой схемы необходимо минимум четыре вентиля. Обратное напряжение, приходящееся на каждый вентиль, и напряжение вторичной обмотки трансформатора при этой схеме примерно в 2 раза меньше, чем в двухполупериодной схеме. 21 Рис. 1.3. Однофазная мостовая схема Коэффициент использования выпрямительного трансформатора высок и достигает 0,9 при фильтре с индуктивной реакцией. Величина и частота первой гармоники пульсации здесь такие же, как в схеме двухполупериодного выпрямителя. Однофазную мостовую схему выпрямителя используют для получения выпрямленных напряжений до нескольких сотен вольт при токах в нагрузке до сотен ампер. Схема удвоения напряжения используется для получения высоких напряжений (до нескольких десятков киловольт) при небольших (до десятков миллиампер) значениях тока нагрузки. (По сравнению с однополупериодной схемой схема удвоения имеет лучший коэффициент использования трансформатора. Эта схема при одном и том же значении выпрямленного напряжения имеет примерно в 2 раза меньшее напряжение на вторичной обмотке выпрямительного трансформатора и соответственно вдвое меньшее обратное напряжение на любом из вентилей. 22 Рис. 1.4. Схема удвоения В качестве вентилей в схеме удвоения в основном используются полупроводниковые диоды. Пульсация на выходе выпрямителя имеет частоту, равную удвоенной частоте тока питающей сети. Трехфазная схема дает сравнительно низкий коэффициент использования выпрямительного трансформатора. Ее преимущество по сравнению с однофазными схемами заключается в равномерной загрузке фаз трехфазной сети, меньшей величине пульсации и в том, что частота пульсации равна утроенной частоте тока питающей сети. Данная схема не находит широкого применения. Трехфазная мостовая схема включается в трехфазную сеть переменного тока, обеспечивая равномерную загрузку ее. Она находит применение для получения как низких, так и высоких напряжений при токах в нагрузке от сотен миллиампер до десятков и даже сотен ампер. Трехфазная мостовая схема является энергетически наиболее экономичной; обратное напряжение, приходящееся на вентиль, в этой схеме примерно равно величине выходного напряжения выпрямителя; пульсация (на входе LC-фильтра или при отсутствии его) составляет теоретически 5,7 % величины выпрямленного напряжения при 23 частоте, равной ушестеренной частоте напряжения питающей сети. Однако практически даже при симметричной питающей сети трехфазного тока пульсация достигает (1…2)% вследствие неизбежной асимметрии напряжений на зажимах вторичных обмоток сетевого трансформатора. Разработка той или иной схемы выпрямителя включает в себя выбор и расчет схемы и ее элементов (выпрямительного трансформатора, вентилей, фильтра и устройств регулировки включения, контроля работы и защиты), При выборе схемы и расчете выпрямителей особое внимание должно быть обращено на вид нагрузки выпрямителя, так как он во многом определяет характер процессов в схеме. Порядок выполнения работы Ознакомиться со сведениями из теории и правилами работы с программным комплексом Multisim 12.0. Изучить методику расчета выпрямителей переменного напряжения. Запустить программу Multisim 12.0. Построить схему однополупериодного выпрямителя. С помощью Oscilloscope сравнить напряжение на выходе источника питания с напряжением на нагрузке, при различных значениях выходного напряжения в источнике. Повторить действия 2-4 на примере схем: двухполупериодной со средней точкой, однофазной мостовой. Подготовить отчет по проделанному практикуму. 24 Содержание отчета Цель работы. Общие сведения. Общие сведения. Схемы выпрямителей. Графики зависимостей напряжения. Выводы по проделанной работе. Контрольные вопросы Что такое выпрямители и для чего они нужны? Виды выпрямителей. Как влияет характер нагрузки, включенной на выходе выпрямителя, на форму тока в схеме выпрямителя? В чем отличие между двухполупериодной со средней точкой и однофазной мостовой схемами? 25 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 «ИССЛЕДОВАНИЕ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ» Цель работы: Исследование работы индуктивно-емкостных и транзисторных сглаживающих фильтров. Сведения из теории: Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры (СФ) – устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. Простейший СФ состоит из двух пассивных элементов, включенных по Г-образной схеме (рис. 2.1). Последовательный элемент обладает большим сопротивлением переменному току, а параллельный элемент (конденсатор) — малым. Также можно построить многозвенные фильтры. Например, вначале дроссель, затем конденсатор, опять дроссель — Т-образный фильтр. Или конденсатор, дроссель, конденсатор — П-образный фильтр и т. д. LC-фильтры обладают существенными недостатками. Во-первых, это массогабаритные показатели. На частоте 50 Гц и конденсаторы , и катушки индуктивности будут иметь большие размеры.. Во-вторых, для LC-фильтров характерно наличие внешних магнитных полей, а это неблагоприятно сказывается на чувствительных узлах аппаратуры. 26 Уменьшить массогабаритные показатели можно, использую транзисторные СФ, вместо громоздких LC-фильтров. Но выигрыш транзисторных фильтров компенсируется меньшим КПД. Индуктивно-емкостный фильтр Как же происходит сглаживание этих самых пульсаций? Рассмотрим форму выходного напряжения, скажем, однополупериодного выпрямителя, показанную ниже на рисунке 2.2. Здесь Uср – это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видно из рисунка, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное – большие пульсации. Теперь следует установить простейший сглаживающий фильтр, как показано на рис. 2.3. Подключив осциллограф параллельно нагрузке, можно увидеть картину, изображенную на рис. 2.4. Рассмотрим, как работают дроссель и конденсатор по отдельности. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться – короткий отрезок пилы на рисунке. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку – длинный отрезок пилообразного напряжения. 27 Рис. 2.1. Индуктивно-емкостный Рис. 2.2. Форма выходного напряжения сглаживающий фильтр однополупериодного выпрямителя Рис. 2.3. Пример выпрямителя с простейшим сглаживающим фильтром Рис. 2.4. Форма выходного напряжения выпрямителя со сглаживающим фильтром 28 При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Естественно, что размах амплитуды пилы, а это тоже пульсации, напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки, конечно. Чем больше емкость, тем меньше пульсации; чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации. Процесс фильтрации можно объяснить и в другом аспекте. Считается, что выходное напряжение выпрямителя содержит постоянную и переменную составляющую. Поскольку емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально и частоте напряжения, и величине емкости, то нетрудно заметить, что при увеличении емкости сопротивление уменьшается. Аналогично и для частоты. Но для постоянного тока частота равна 0 – значит, емкостное сопротивление будет стремиться к бесконечности. Таким образом, переменная составляющая проходит через конденсатор и замыкается на общий провод, не попадая в нагрузку, тогда как постоянная составляющая полностью выделяется в нагрузке. При протекании тока через индуктивность происходит накопление энергии. Затем энергия выделяется в нагрузке и т. д. Поскольку индуктивное сопротивление катушки прямо пропорционально и частоте напряжения, и величине индуктивности, то нетрудно заметить, что при увеличении частоты сопротивление также пропорционально увеличивается. Поскольку для постоянного тока частота равна нулю, то и сопротивление будет равным нулю. Другими словами, индуктивность не пропускает переменной составляющей в нагрузку, тогда как 29 постоянная составляющая беспрепятственно проходит через индуктивность. Транзисторный фильтр Рассмотрим типичные схемы транзисторных фильтров. На рис. 2.5. представлена схема наиболее простого транзисторного фильтра. Рис. 2.5. Простейший транзисторный фильтр На коллектор транзистора VT поступает напряжение с выпрямителя с большой амплитудой пульсаций. Цепь базы питается через интегрирующую цепь RC. Данная цепочка сглаживает пульсации на базе транзистора. В принципе, эту цепь можно представить как RCфильтр. Чем больше постоянная времени цепочки, тем меньше пульсации напряжения на базе транзистора. А поскольку транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, то на выходе напряжение будет повторять напряжение на базе, т. е. пульсации будут столь же малыми, как и на базе. Емкость конденсатора С может быть в несколько раз меньше (примерно в h21э раз), чем в LC-фильтре, поскольку базовый ток намного меньше выходного тока фильтра, т. е. коллекторного тока транзистора. Основное достоинство схемы – простота. 30 Недостатки: Противоречивые требования к сопротивлению резистора R – для уменьшения пульсаций следует увеличивать сопротивление, для повышения КПД – уменьшать, Сильная зависимость параметров от температуры, тока нагрузки, коэффициента передачи тока базы транзистора (h21э). Обычно резистор подбирают экспериментально. Несколько иная схема приведена на рис. 2.6. В такой схеме цепь базы транзистора запитывается от отдельного источника с напряжением больше входного. Схема обладает меньшими пульсациями. Рис. 2.6. Схема транзисторного СФ с внешним питанием Поскольку база питается от отдельного источника, сопротивление резистора можно увеличить и, следовательно, уменьшить пульсации выходного напряжения. Мощность, выделяемая на резисторе R мала, так как ток базы мал. Тем не менее, этой схеме присущи те же недостатки, что и предыдущей. Кроме того, в таком фильтре транзистор может войти в насыщение и все пульсации со входа фильтра без ограничений будут передаваться на выход. В режим насыщения транзистор войдет, когда напряжение на базе превысит напряжение на коллекторе. На рис. 2.7 приведена схема транзисторного сглаживающего фильтра (СФ), лишенная вышеуказанных недостатков 31 Рис. 2.7. Фильтр с делителем напряжения Рис. 2.8. Транзисторный сглаживающий фильтр Ток через делитель R1R2 выбирается больше в 5–10 раз, по сравнению с током, ответвляющимся в базу. Поэтому выходное напряжение фильтра определяется распределением входного напряжения на делителе. Недостатки фильтра – меньший КПД по сравнению с предыдущими схемами. К тому же необходимо увеличивать емкость конденсатора С1 для получения приемлемых пульсаций. В завершении представлена схема транзисторного сглаживающего фильтра по КПД и пульсациям близкого к LC-фильтрам, но превосходящего их по массогабаритным показателям (рис. 2.8). 32 На коллектор транзистора VT1 поступает входное напряжение с большими пульсациями, на базу через резистор R1 напряжение от отдельного источника, по значению больше входного. Конденсатор С1 заряжается до тех пор, пока напряжение на нем не станет больше входного на величину прямого напряжения на диоде VD1, т. е. UпрVD1. Конденсатор С1 начинает разряжаться через открытый диод VD1, транзистор VT1 и нагрузку. Разряжаться конденсатор будет, пока входное напряжение вновь не станет увеличиваться. Диоды VD2, VD3 смещают уровень постоянной составляющей. Кроме того, диод VD2 выполняет функции ключа в пиковом детекторе VD2C2. Поскольку ток базы довольно мал, и конденсатор разряжается только через цепь базы, то пульсации на нем будут меньше, чем на С1. Порядок выполнения работы Изучить теоретические сведения по теме «Индуктивно- емкостные и транзисторные сглаживающие фильтры». Запустить программу Multisim 12.0. Построить схему индуктивно-емкостного СФ. При разных номиналах С1 замерить уровень пульсаций на на- грузке (не менее 3-х замеров). Зарисовать графики с осцилографа. Повторить пункты 3-5 с использованием транзисторного сгла- живающего фильтра с делителем напряжения (изменять номиналы C1). Подготовить отчет по проделанному практикуму. 33 Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Общие сведения. 3. Схемы СФ. 4. Графики зависимостей напряжения при различных номиналах для каждой схемы. 5. Выводы по проделанной работе. Контрольные вопросы Для чего применяются сглаживающие фильтры? В чем преимущество транзисторных фильтров перед LC- фильтрами? Как происходит сглаживание пульсаций сигнала? От чего зависит размах амплитуды пилы в индуктивном СФ? Что представляет собой индуктивный СФ и принцип его ра- боты? Какие фильтры называют Г-образными? Объясните принцип работы транзисторного СФ. Как получить приемлемые пульсации на выходе транзисторного СФ с делителем напряжения? Схема СФ с внешним питанием, «+» и «–» данной схемы. Обос- нуйте ответ. 34 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СТАБИЛИЗАТОРОВ» Цель работы: На примере схемы параметрического стабилизатора исследовать принципы работы стабилизаторов напряжения. Сведения из теории: Стабилизатором напряжения (СН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения – это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов. Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее, на одной из его разновидностей – стабилитрона. Типичная простая схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 3.1. В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначительно. Входное напряжение через ограничительный резистор Rбал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение Uвх передается на Rн, что приводит 35 к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резисторе. Иногда необходимо получить такое напряжение, на которое стабилитрон не рассчитан. В этом случае применяют последовательное соединение стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет соответствовать сумме напряжений стабилизаций последовательно включенных стабилитронов. Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов, т. е. соединяют последовательно несколько рассмотренных выше схем. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больше, чем следующего. Использование таких схем позволяет повысить коэффициент стабилизации. Существует и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоретически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности. У вышерассмотренной схемы существует такой важный недостаток, как малая выходная мощность, но его можно устранить при использовании схемы с усилителем мощности (рис. 3.2). Схема достаточно проста. Нагрузку подключили через каскад с общим коллектором, выполняющим роль усилителя мощности. 36 .Рис. 3.1. Параметрический стабилизатор напряжения Рис. 3.2. Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности Такая схема при малых и средних токах нагрузки работает как стабилизатор, а при больших токах нагрузки – как транзисторный фильтр (если параллельно стабилитрону поставить конденсатор). Если параллельно стабилитрону установить переменный (подстроечный) резистор, то выходное напряжение становится регулируемым. Для уменьшения высокочастотной (ВЧ) составляющей выходного напряжения параллельно нагрузке устанавливают конденсатор емкостью 0,01...1 мкФ. Это касается любых источников питания. Тип транзистора в схеме на рис. 3.2 выбирается из учета мощности нагрузки. Например, для питания усилителя (особенно большой 37 мощности), когда ток нагрузки велик, используют составной транзистор. Подключение составного транзистора происходит следующим образом: берут два (или больше) транзистора и коллектор или эмиттер одного подключают к базе другого, а оставшийся вывод первого транзистора соединяют с оставшимся выводом следующего. Следует иметь в виду, что в этом случае оконечный транзистор обычно устанавливается на радиаторе, необходимом для обеспечения температурного режима. У составного транзистора коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи каждого транзистора. Итак, для больших токов используют составные транзисторы, для питания небольшого числа микросхем подойдет транзистор средней и малой мощности. Порядок выполнения работы Изучить теоретические сведения по теме «Параметрические стабилизаторы». Запустить программу Multisim 12.0. Построить схему параметрического стабилизатора. С помощью Oscilloscope сравнить напряжение на выходе источ- ника питания с напряжением на нагрузке при различных значениях выходного напряжения в источнике. Зарисовать графики с осциллографа. Подготовить отчет по проделанному практикуму. 38 Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Общие сведения. 3. Схема стабилизатора. 4. Графики зависимостей напряжения при различных значениях выходного напряжения в источнике. 5. Выводы по проделанной работе. Контрольные вопросы Что такое стабилизатор? Какие виды стабилизаторов существуют? Расскажите о принципе работы стабилизаторов. Что используют для увеличения выходной мощности в стабилизаторах? Что такое составной транзистор? 39 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ» Цель работы: На примере схемы компенсационного стабилизатора исследовать принципы работы стабилизаторов напряжения. Сведения из теории: Принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Для общего представления рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа, которая приведена на рис. 4.1. РЭ – это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой); СУ – схема управления (собственно управляет работой РЭ). Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача – усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д – делитель напряжения. ИОН – источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного 40 напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). По виду включения РЭ (последовательно с нагрузкой) схема называется последовательной. Источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их. Структурная схема параллельного компенсационного стабилизатора напряжения изображена на рис.4.2. Рис. 4.1. КСН последовательного типа Рис. 4.2. КСН параллельного типа 41 Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ, вызывающее изменение падения напряжения на балластном резисторе. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Ее основное достоинство – при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети. Типичная схема приведена на рис. 4.3. Рис. 4.3. Принципиальная схема КСН Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резистором R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель напряжения состоит из резисторов R2–R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который, сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, то сопротивление его перехода изменяется, и напряже- 42 ние на нагрузке остается постоянным. С помощью резистора R3 можно регулировать выходное напряжение. В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1–0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы. Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются. Защита от КЗ кратковременная. На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резистором между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах. Практическая схема вышеописанного стабилизатора приведена на рис. 4.4. Рис. 4.5. КНС с «холодным» Рис. 4.4. КСН коллектором Эта схема блока питания магнитофона-приставки «Карат МП201С» и, как видно, отличие состоит лишь в конденсаторах и резисторе R1. Резистором R4 подстраивают выходное напряжение. Подбирая 43 стабилитрон VD1, можно изменять выходное напряжение. При этом надо менять сопротивление резистора R1. Одной из разновидностей схем такого рода является так называемая схема с «холодным» коллектором (рис. 4.5). Ее отличием является то, что регулирующий транзистор включается в цепь общего провода, а не «горячего». А это значит, что изолировать транзистор от радиатора или радиатор от корпуса устройства не надо, чего не скажешь о схемах на рис. 4.3 и 4.5. В этих схемах транзисторы выгорают, если забыли изолировать коллектор. Анализ показывает, что нет практически никаких отличий от предыдущей схемы. Недостаток схемы – меньший ток нагрузки, нежели у схемы на рис. 4.3. Для такого стабилизатора необходим отдельный выпрямитель. Другими словами, если нужно несколько стабилизаторов, то для каждого мы вынуждены будем установить свой выпрямитель. Но все регулирующие транзисторы можно поставить на один теплоотвод, не изолируя их. Порядок выполнения работы 1. Изучить теоретические сведения по теме «Компенсационные стабилизаторы». 2. Запустить программу Multisim 12.0. 3. Построить схему компенсационного стабилизатора. 4. С помощью Oscilloscope сравнить напряжение на выходе источника питания с напряжением на нагрузке, при различных значениях выходного напряжения в источнике. 44 5. Зарисовать графики с осциллографа. 6. Подготовить отчет по проделанному практикуму Содержание отчета Цель работы. Общие сведения. Схема стабилизатора. Графики зависимостей напряжения при различных значениях выходного напряжения в источнике. Выводы по проделанной работе. Контрольные вопросы Что такое стабилизатор? Какие виды стабилизаторов существуют? Принцип действия КСН. В чем преимущество КСН параллельного типа перед КСН по- следовательного типа? Какой недостаток у КСН с «холодным» коллектором? 45 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Полупроводниковые выпрямители / под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. – Москва: Энергия, 2003. Источники электропитания РЭА. Справочник / под ред. Г.С.Найвельта. – Москва: Радио и связь, 1999. Иванов–Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем. – Москва: Высшая школа, 2010. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / под ред. С.Д. Додика и Е.И. Гальперина. − Москва: Советское радио, 2001. 46 Учебное электронное издание РОГОВ Виктор Николаевич ВОЛЧКОВА Дарья Сергеевна АХМЕТСАГИРОВ Рамиль Вагизович УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ Лабораторный практикум в среде Multisim Редактор Н. А. Евдокимова Дата подписания к использованию 09.09.2019. ЭИ № 1322. Объем данных 0,8 Мб. Заказ № 758. Ульяновский государственный технический университет 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д.32. ИПК «Венец» УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. Тел.: (8422) 778-113 E-mail: [email protected] venec.ulstu.ru 47
