Введение

В процессе выполнения лабораторных работ студенты изучают устройство, принцип работы, характеристики полупроводниковых преобразователей и приобретают навыки экспериментального исследования современных полупроводниковых преобразователей.

С целью повышения уровня подготовки студентов к выполнению лабораторных работ в учебно-методическом пособии приведены необходимые теоретические сведения по расчету характеристик и параметров исследуемых полупроводниковых преобразователей.

Каждая лабораторная работа выполняется в соответствии с программой исследований. Студенты должны приобрести навыки работы с полупроводниковыми схемами и закрепить материал, изученный теоретически.

Особое внимание при выполнении лабораторных работ уделяется развитию навыков работы с электронным осциллографом.

В процессе выполнения лабораторной работы студенты самостоятельно собирают принципиальные электрические схемы. Для удобства выполнения лабораторных работ все электрические схемы в учебно-методическом пособии изображены так же, как и на наборном поле стенда.

1. Описание лабораторного стенда и рекомендации по подготовке и выполнению лабораторных работ

1.1. Описание лабораторного стенда

Технические характеристики стенда

- Электропитание от сети

- Частота питающего напряжения

- Потребляемая мощность, не более

- Габаритные размеры

- Масса, не более

- Диапазон рабочих температур

- Влажность до

3х380 В

50 Гц

750 ВА

1500х800х450 мм

100 кг

+10...35°

80%

Состав стенда

Стенд содержит два каркаса, в которых размещены 14 модулей (рис.1.1).

Перечень модулей и их краткие технические характеристики приведены в табл. 1. 1.

Краткое описание модулей, используемых для питания и измерения, приведено ниже.

Рис. 1.1. Общий вид лабораторного стенда

Таблица 1.1. Перечень и характеристика модулей стенда

№	Наименование	Краткая техническая характеристика
1.	Модуль питания стенда	Ввод ~3х380В, ВИП +/-15В, +5В, автоматический выключатель
2.	Модуль питания (трехфазный)	Автоматический выключатель, питание ~3х380В, ~220 В
3.	Модуль измерительный	Стрелочные приборы для измерения постоянных и переменных токов в цепях преобразователей
4.	Модуль «Мультиметры»	Цифровые приборы (в основном для измерения напряжений)
5.	Модуль «Тиристорный преобразователь»	Исследование трехфазных выпрямителей, ведомых и реверсивных преобразователей. Напряжение на выходе регулируемое до ±110 В, ток до ±1 А
6.	Модуль «Преобразователь постоянного напряжения»	Исследование широтно - импульсного преобразователя и стабилизатора постоянного напряжения, а также ключевого режима работы транзисторов (биполярных, полевых и ІGВТ). Напряжение на входе регулируется до =27 В, ток до =1,0 А
7.	Модуль «Преобразователь частоты»	Исследование двухзвенного преобразователя частоты и трехфазного автономного инвертора напряжения. Напряжение на выходе регулируемое трехфазное до ~110 В, ток до ~1 А, частота до 50 Гц
8.	Модуль «Нагрузка»	Дискретно-регулируемые активно-индуктивно-емкостные нагрузки
9.	Модуль «Корректор коэффициента мощности»	Исследование неуправляемого выпрямителя, работающего на емкостной фильтр без корректора коэффициента мощности и с корректором коэффициента мощности. Напряжение на входе ~16 В, ток до ~2,0 А
10.	Модуль «Источник вторичного электропитания»	Исследование обратноходового источника вторичного электропитания
11.	Модуль «Тиристоры»	Исследование тиристоров, симисторов, запираемых тиристоров, управляемого выпрямителя, преобразователя переменного напряжения. Напряжение на входе +15 В, ~12 В, ток до 100 мА
12.	Модуль «Диоды»	Исследование выпрямительного диода, диода Шоттки, неуправляемого однофазного выпрямителя, светодиода и стабилитрона. Напряжения: ±15 В, ~9 В, ток до 100 мА.
13.	Модуль «Миллиамперметры»	Измерение постоянного тока в 4-х пределах измерения: 100 мкА, 1мА, 10 мА и 100 мА.
14.	Модуль «Измеритель мощности»	Универсальный цифровой прибор для измерения постоянных и переменных напряжений, токов, мощностей, частоты и энергетических показателей (cosφ, угла φ)
15.	Осциллограф	GОЅ-620. Снятие осциллограмм

Модуль питания стенда

Модуль питания стенда (МПС) предназначен для ввода трехфазного напряжения из сети в лабораторный стенд, защиты стенда от токов короткого замыкания и подачи силовых и маломощных напряжений питания на модули стенда.

Внешний вид модуля питания стенда представлен на рис. 1.2.

Рис.1.2. Модуль питания стенда Рис.1.3. Модуль питания

Модуль содержит автоматический трехполюсный выключатель QF1, вторичный источник питания напряжениями ±15 В и +5 В маломощных цепей модулей. Подключение стенда к напряжению питания, подача силового и маломощного напряжений на модули выполняется с помощью жгутов, подключаемых с тыльной стороны модуля.

На лицевой части имеется индикация подачи силового напряжения по фазам А, В и С, а также маломощных напряжений питания +5 В, +15 В и

-15 В. Кроме этого возможно подключение к источникам низковольтных напряжений с лицевой панели модуля. С этой целью на лицевую панель модуля выведены соответствующие клеммы напряжений и общего провода.

Модуль питания

Модуль питания (МП) предназначен для подачи трехфазного напряжения на модули с помощью соединительных проводов с лицевой стороны модуля и защиты подключенных модулей от токов короткого замыкания.

Внешний вид модуля питания представлен на рис. 1.3. На лицевой панели модуля расположены автоматический трехполюсный выключатель QF2, гнезда трехфазного напряжения А, В, С и нейтрали N (гнезда продублированы), индикация наличия фазных напряжений, гнезда фазного напряжения ~220 В. К гнездам =220 В ничего не подключено, в данном варианте стенда они не используются.

Модуль «Мультиметры»

Модуль «Мультиметры» (рис. 1.4) содержит два универсальных цифровых прибора типа МY67(68) и используется в основном для измерения напряжений.

Диапазоны измерений приведены в табл. 1. 2.

Таблица 1.2. Параметры измерительных приборов стенда

Измеряемый параметр	Диапазоны измерения	Класс точности
Постоянное напряжение	0…±1000 В	1,5
Постоянный ток	0…±400 мкА; 0…±400 мА; 0…±10 А	1,5
Переменное напряжение	0…750 В	1,5
Переменный ток	0…400 мкА; 0…400 мА; 0…10 А	1,5

Примечание: Будьте внимательны, при измерении тока соединительные провода мультиметра необходимо подсоединять к клемме «мА» (либо «10 А») и к клемме «com»!

Рис.1.4. Модуль мультиметров Рис.1.5. Модуль измерительный

Модуль «Измерительный»

Модуль «Измерительный» (рис. 1.5) предназначен для проведения измерений в цепях постоянного и переменного тока. Модуль содержит два амперметра постоянного тока магнитоэлектрической системы типа М42300 с пределом измерения +2 А и ±2 А, один амперметр переменного тока электромагнитной системы типа ЭА0700 с пределом измерения 1 А и один вольтметр переменного тока типа Ц42300 с пределом измерения 0...250 В.

Модуль «Измеритель мощности»

Модуль «Измеритель мощности» (рис. 1.6) предназначен для измерения параметров электрической цепи:

– действующего значения напряжения в поддиапазонах 0...30 В или 0...300 В;

– действующего значения тока в поддиапазонах 0...0,2 А или 0…2 А;

– активной мощности в диапазоне 0...600 Вт;

– реактивной мощности в диапазоне 0. . .600 ВАР;

– полной мощности в диапазоне 0...600 ВА;

– частоты в диапазоне 5 ...200 Гц;

– коэффициент мощности по основной гармоники (коэффициент сдвига) cosφ;

– угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения φ.

Рис.1.6. Измеритель мощности

Прибор содержит:

– гнезда для подачи входного измеряемого сигнала (генератора) А и N, гнезда для подключения потребителя (нагрузки) А1 и N. Шунт для измерения тока нагрузки подключен между гнездами А и А1;

– индикатор жидкокристаллический четырехстрочный для вывода информации;

– выключатель «Сеть» для подключения питания прибора;

– тумблер «U» для изменения поддиапазона измерения напряжения;

– тумблер «І» для изменения поддиапазона измерения тока;

– кнопка «Р/Q/Ѕ» для изменения вывода информации в третьей строке индикатора, соответственно, активной, реактивной и полной мощности;

– кнопка «f/cosφ/φ» для изменения вывода информации в четвертой строке индикатора, соответственно, частоты, косинуса угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения и самого угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения.

При одновременном нажатии, в течение порядка 2 секунд, кнопок «Р/Q/Ѕ» и «f/cosφ/φ» модуль «Измеритель мощности» переходит в режим измерения постоянного тока. Обратное переключение осуществляется повторным нажатием кнопок «Р/Q/Ѕ» и «f/cosφ/φ».

Осциллографирование

При выполнении лабораторных работ рекомендуется использовать двухканальный осциллограф, например, СОЅ-620.

Электронный осциллограф предназначен для наблюдения на экране электронно-лучевой трубки функциональных зависимостей сигналов, изменений электрических сигналов во времени, а также для измерения различных электрических величин.

Полоса пропускания осциллографа СОЅ-620 составляет 20 МГц, максимальная чувствительность ~ 1 мВ/дел, минимальный коэффициент развёртки 0,2 мкс/дел.

На рис. 1.7 показана лицевая панель осциллографа СОЅ-620 с обозначением органов управления.

Включение питания осциллографа осуществляется кнопкой 6 «POWER». При его включенном состоянии загорается индикатор 5. Регулировка яркости и фокусировка изображения на экране осциллографа – позиция 33 – осуществляется вращением ручек 2 «INTEN» и 3 «FOCUS» соответственно. Изменение наклона изображения по горизонтали производится регулировкой ручки 4 «TRACE ROTATION». На выходе калибратора – позиция 1 – «CAL» напряжение 2 В и частота 1 кГц.

Каналы ввода сигналов. Исследуемые сигналы подаются на входы каналов СН1 гнездо 8 и СН2 гнездо 20.

Переключатели 10 и 18 режимов входов усилителей «AC–GND–DC»: «AC» (закрытый вход) – пропускает только переменную составляющую; «DC» (открытый вход) – постоянную и переменную составляющую; «GND» –вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется.

Дискретное изменение масштаба по оси Y для 1 и 2 каналов СН1 и СН2 от 5 мВ/дел до 5 В/дел в 10 диапазонах осуществляется регуляторами 7 и 22 «VOLTS/DIV» (вольт на деление) соответственно, с внешним делителем 1:10 от 50 МВ/дел. до 50 В/дел. Плавное изменение масштаба производится ручками 9 и 21 «VARIABLE». Когда ручка вытянута «режим х5 раз» происходит дополнительное увеличение амплитуды в 5 раз. Масштабы будут соответствовать указанным, если ручки 9 и 21 находятся в крайнем правом положении. В канале СН2 также можно осуществлять инвертирование сигнала нажатием кнопки 16 СН2 «INV».

Балансировку каналов СН1 и СН2 можно выполнять с помощью регуляторов 13 и 17 «DC BAL». Регулировка положения лучей обеих каналов по вертикали осуществляется соответственно ручками 11 и 19 «POSITION».

Для наблюдения на экране осциллографа одновременно двух сигналов используется переключатель 14 режима работы усилителя «МОDЕ». При вводе сигналов в СН1 и СН2 – на экране наблюдается сигналы канала 1 или 2 или входной X– оси или Y– оси для режима X–Y; «DUAL» – одновременное изображения сигналов обоих каналов; «ADD» – отображается сумма сигналов, подаваемых на два канала СН1 и СН2 или их разность при нажатой кнопке СН2 «INV». При этом, когда кнопка 12 «ALT/CHOP» отжата в двухканальном режиме, режим работы коммутатора выбирается автоматически исходя из положения ручки «время/дел». При нажатии на кнопку коммутатор принудительно переключается в режим попеременного показа кривых.

Гнездо 15 «GND» – общий вывод, потенциально соединенный с общими выводами входов 8 и 20. В свою очередь «GND», при подключении осциллографа через евророзетку (трехпроводную сеть), будет заземлён (занулён) в зависимости от используемой в лаборатории электросети. Об этом следует помнить при обеспечении электробезопасности.

Развертка. Масштаб развертки устанавливается ручкой 29 «ТІМЕ/DIV» от 0,2 мкс/дел до 0,5 с/дел 20 ступенями. При переводе в положение Х–Y обеспечивается наблюдение функциональной зависимости двух напряжений (фигур Лиссажу). Плавная регулировка коэффициента развертки производится ручкой 30 «SWP.VAR». Перемещение изображения по горизонтали – ручкой 32 «РОЅІТION». При нажатой кнопке 31 «x10 MAG» – скорость развертки увеличивается в 10 раз.

Синхронизация. Выбор режима синхронизации осуществляется ручкой «ЅОURCE»:

При положении ручки переключателя 23 в положении СН1 или СН2 - развертка синхронизируется сигналом с первого или второго канала соответственно; «LINЕ» – развертка синхронизируется от сети 50 Гц;

«ЕХT›› ~ внешняя синхронизация и для подачи исследуемого сигнала непосредственно на входной усилитель Х. Для входа внешней синхронизации используется вход 24 «TRIG IN»;

При нажатой кнопке 27 «ТRIG.ALT» – развертка поочередно синхронизируется сигналом с 1 и 2 каналов.

Переключатель 26 полярности синхронизирующего сигнала «ЅLОРЕ» «+» или «-» позволяет синхронизировать развертку положительным или отрицательным перепадом исследуемого сигнала.

Регулировка уровня исследуемого сигнала, при котором происходит запуск развертки, производится ручкой 28 «LEVEL».

Выбор режима работы запуска развертки – позиция 25 – «TRIGER MODE» (полярность сигнала должна быть при этом отрицательной): «АUТО» – если нет сигнала синхронизации, развертка переходит в автоколебательный режим; «NORM» – развертка запускается только при наличии входного сигнала; «ТV–V» и «ТV–Н» – синхронизация по вертикали (по кадрам) и по горизонтали (по строкам).

Входные кабели (шнуры). В комплект поставки включены следующие шнуры: два шнура без делителей для подключения к малым слаботочным клеммам и один шнур с переключаемым делителем 1:10 для силовых клемм.

Шнуры без делителей имеют по два вывода: красные - сигнальные и чёрные – общие. Общие выводы в осциллографе соединены между собой и с общей клеммой 15 «GND». Внимание! При подключении осциллографа к исследуемым цепям, черные (общие) выводы шнуров, соединённые с разными клеммами, приведут к короткому замыканию между ними, что может вывести исследуемый модуль из строя.

Шнур с делителем не имеет общего вывода и предназначен для подключения к силовым клеммам. Переключатель 1:1 – 1:10 находится на самом шнуре. При использовании шнура с делителем, в качестве общего вывода можно использовать чёрный вывод шнура без делителя либо провод, соединенный с клеммой 15 «GND»

Рис. 1.7. Лицевая панель осциллографа GOS - 620