Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие пункты:

а) наименование и цель работы;

б) временные диаграммы и характеристики, построенные предварительно;

в) результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;

г) экспериментально снятые и построенные характеристики;

д) обработанные осциллограммы;

е) выводы по работе. Обязательно ответить на контрольные вопросы 3, 4, 6.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение преобразователей переменного напряжения?

2. Что такое угол управления? По какой осциллограмме его можно определить?

3. На какие энергетические показатели влияет угол управления?

4. От чего зависит форма напряжения на нагрузке?

5. Что такое регулировочная характеристика?

6. От чего зависит вид регулировочной характеристики?

7. Можно ли снять регулировочную характеристику ТРН на холостом ходу? Обосновать ответ.

6. Исследование преобразователей постоянного тока в постоянный ток

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток (преобразователи DC/DC) находят широкое применение в источниках вторичного питания вычислительных и радиоэлектронных устройств, системах автоматического управления, устройствах бытовой техники и т.п. Преобразователи выполняются на полностью управляемых полупроводниковых приборах – транзисторах. Широкое применение находят однотактные преобразователи DC/DC с широтно-импульсным способом управления, выполненные как по бестрансформаторной схеме, так и с промежуточным высокочастотным трансформатором. Рабочая частота преобразователей DC/DC лежит в пределах от десятков до сотен кГц.

Лабораторная работа №6. Исследование однотактного преобразователя постоянного тока с последовательным ключевым элементом (ОППТ-1)

Цель работы. Изучение характеристик транзисторных преобразователей и стабилизаторов постоянного напряжения, работающих в импульсном режиме, выполненных на биполярных, полевых и ІGВТ транзисторах. Сравнение ключевого режима работы транзисторов различного типа при активно-индуктивной нагрузке, шунтированной диодом.

Основные расчетные соотношения и характеристики импульсного преобразователя с последовательным ключевым элементом

Преобразователь постоянного напряжения (ППН) содержат в своем составе один транзистор. ППН могут быть выполнены с последовательным включением транзистора или с параллельным включением транзистора [3].

В лабораторном стенде реализован преобразователь постоянного тока с последовательным включением транзистора, ППН-1. На рис.6.1 приведена схема ППН-1 с входным фильтром (L₁-С₁) и сглаживающим фильтром (L₂-С₂). Эта схема находит широкое применение во вторичных источниках питания.

Основным режимом работы ППН-1 является режим непрерывного тока в дросселе цепи нагрузки, L₂. Однако при малой величине коэффициента заполнения импульса γ или малом выходном токе такой регулятор может перейти в режим прерывистого тока в дросселе [3].

Рис. 6.1. Схема ППН - I с входным фильтром (L₁-С₁) и сглаживающим фильтром (L₂-С₂)

Режим непрерывного тока в дросселе

Временные диаграммы токов и напряжений ОППН-1 для режима непрерывного тока приведены на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Временные диаграммы, поясняющие работу ППН-1:

u_{у VT} – напряжение управления транзистора;

i_к – ток коллектора транзистора VТ;

i_VD – ток диода VD;

u_вх.ф – напряжение на входе сглаживающего фильтра;

i_др2 – ток дросселя сглаживающего фильтра;

u_др2 – напряжение на обмотке дросселя сглаживающего фильтра;

u_нг – напряжение нагрузки;

i_вх – ток входной цепи преобразователя.

Длительность открытого состояния транзистора t_и регулируется в пределах 0<t_и<T, где T – период следования импульсов.

Величина выходного напряжения ППН-1

U_вых= U_вх t_и/ T= U_вхD, (6.1)

где D= t_и/ T –коэффициент заполнения импульса;

U_вх – среднее значение напряжения питания ППН-1.

В относительных единицах

Таким образом, величина выходного напряжения ППН-1 регулируется в пределах от U_п до нуля.

Формула (6.1) является выражением регулировочной характеристики ППН-1 для режима непрерывного характера тока.

Среднее значения тока через транзистор VT

I_к.ср=I _нгD. (6.2)

Среднее значения тока через диод VD

(6.3)

Напряжение на транзисторе U_кэ и на шунтирующем диоде U_VD в выключенном состоянии равно напряжению на входе преобразователя:

U_кэ = U_VD = U_вх. (6.4)

На рис.6.3 приведена регулировочная характеристика ППН-1 для режима непрерывного тока нагрузки.

Рис.6.3. Регулировочная характеристика ППН-1 при непрерывном токе нагрузки

Расчетная мощность транзистора Р_к, показывающая степень использования транзистора по отношению к мощности нагрузки, при пренебрежении пульсациями тока в дросселе:

Р_к = U_{к max}I_{к max} = Р_нг/D. (6.5)

Отсюда следует, что наилучшее использование транзистора по мощности имеет место при коэффициенте скважности D → 1.

Найдем критическое значение тока нагрузки, которое при заданной индуктивности дросселя L₂ еще поддерживает режим непрерывного тока нагрузки. С этой целью полагаем I_min = 0, тогда

I_н.кр=U_вхD(1 - D)/(2L₂ƒ). (6.6)

Коэффициент пульсации тока нагрузки определим из (6.6):

(6.7)

Внешняя характеристика реального ППН-1 в режиме непрерывного тока зависит от тока нагрузки, что обусловлено наличием активного сопротивления обмотки дросселя R_L [5]. Эту характеристику ППН-1 определим из условия равенства вольт - секундных площадей в установившемся режиме, действующих на индуктивности дросселя на интервалах t_и и t_п, в предположении, что сопротивление обмотки дросселя R_L отлично от нуля. Тогда

(U_вх - U_нг – I_нгR_сх)t_и = (U_нг+ I_нгR_сх)t_п,

Рис. 6.4. Внешние характеристики ППН-1 при различных D для режимов прерывистого (область 1) и непрерывного (область 2) тока

В относительных единицах внешняя характеристика имеет вид:

U_нг/U_вх = D – I_нгR_сх/U_вх, (6.8)

где R_сх –активное сопротивление элементов схемы, по которым течет ток нагрузки. В данной схеме R_сх равно активному сопротивлению обмотки дросселя, т.е. R_сх = R_L.

Эти характеристики показаны на рис. 6.4 штриховыми линиями в области 2.

Выходное сопротивление ППН-1

R_вых=-δU_н/ δI_н= R_сх.

Пульсации выходного напряжения. При расчете сглаживающего фильтра всегда необходимо установить значения коэффициента пульсаций напряжения на входе фильтра k_п1 и коэффициента пульсаций напряжения на выходе фильтра k_п2.

Коэффициент пульсаций напряжения на входе сглаживающего фильтра без учета падения напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя определяется отношением амплитуды основной (первой) гармоники переменной составляющей напряжения пульсаций U_пm(1) к среднему значению выходного напряжения преобразователя U_нг т.е.

k_п1= U_{п m(1)}/U_нг.

Поскольку U_{п m(1)}=[2/π]U_вхsin (180^оD),

а U_нг= U_вхD, то коэффициент пульсаций на входе сглаживающего фильтра

k_п1 = [2/(πD)]sin (180^оD). (6.9)

Зависимость амплитуды пульсаций напряжения нагрузки, которое равно амплитуде пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра С₂, ΔU_C2, от параметров фильтра можно установить, определив заряд ΔQ в фильтрующем конденсаторе С₂, обусловливающий изменение выходного напряжения от минимального его значения до максимального:

ΔQ=[0,5(U_вх-U_нг)t_и/2L]T/2.

Учитывая, что ΔQ = С₂ ΔU_C2, находим

ΔU_С2 = U_вхD(1-D)/(8LC₂f²) = U_нг(1-D)/(8LC₂f²). (6.10)

Из соотношения (6.10) легко определить величину коэффициента пульсаций k_п2 при уже известных параметрах сглаживающего фильтра, значении частоты f и значении коэффициента заполнения импульса D:

k_п2 = (1- D)/(8LC₂f²). (6.11)

Обобщенная функциональная схема управления ОППН-1 приведена на рис. 6.5. Она содержит генератор (Г), генератор пилообразного напряжения (ГПН), схему сравнения (СС) и усилитель (У). Как правило, на выходе усилителя включены элементы гальванической развязки (оптотранзисторы).

Временные диаграммы, поясняющие работы схемы управления ШИП, приведены на рис. 6.6.

Рис.6.5. Обобщенная функциональная схема управления ППН-1

Рис.6.6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы схемы управления ППН-1

Импульсы, вырабатываемые генератором (см. рис.6.6, а) поступают на вход генератора пилообразного напряжения. Выходные импульсы генератора пилообразного напряжения (см. рис. 6.6, б) поступают на вход схемы сравнения. На второй вход схемы сравнения поступает напряжение управления U_у. При равенстве амплитуды выходного импульса генератора пилообразного напряжения и напряжения управления происходит срабатывание схемы сравнения. На выходе схемы сравнения появляется импульс прямоугольной формы (рис.6.6, в). Длительность импульса, как это видно из рис. 6.6, определяется уровнем напряжения управления U_у.

В схеме управления ППН-1 этот импульс требуется лишь усилить, а затем подавать на силовой транзистор ППН-1.