Исследование мостовой схемы выпрямителя и параметрического стабилизатора напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Исследование мостовой схемы выпрямителя и параметрического стабилизатора напряжения

Исследование мостовой схемы выпрямителя

Цель работы. Изучить схему построения мостового выпрямителя, определить амплитуду пульсаций выходного напряжения и коэффициент сглаживания фильтра.Оборудование. Осциллограф CI-73, лабораторный стенд 87Л-01, среда схемотехнического моделирования Electronics WorkBench версии 5.0 и выше.

1. Общие сведения

Наиболее широкое применение в маломощных вторичных источниках питания (ВИП) получила мостовая схема выпрямителя, где в качестве выпрямляющих элементов чаще всего используют силовые полупроводниковые диоды. Принципиальная электрическая схема исследуемого выпрямителя показана на рис. 1.1. В плечи моста включены диоды VD1…VD4, к одной диагонали моста подведено переменное напряжение, как правило, от вторичной обмотки трансформатора, а с другой снимается выпрямленное напряжение. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применен П-образный фильтр на элементах C1, R1, C2, R2 - нагрузочный 5резистор; PA - измеритель тока. При положительной полуволне напряжения на верхнем выводе вторичной обмотки трансформатора ток нагрузки будет протекать через диоды VD1 и VD4, а при отрицательной - через диоды VD2 и VD3. Через нагрузочный резистор R2 (и резистор R1) в любой полупериод протекает ток в одном направлении. Импульсы выпрямленного тока протекают последовательно через два диода, что увеличивает потери в устройстве. Поэтому желательно применять диоды с малым падением напряжения при заданном прямом токе. Напряжение на выходе выпрямителя имеет пульсирующий характер. Степень пульсаций оценивается коэффициентом пульсаций по напряжению, который представляет собой отношение амплитуды Ur1 первой гармоники напряжения к его среднему значению U0, равному постоянной составляющей выпрямленного напряжения:

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Коэффициентом сглаживания фильтра

называют величину, показывающую, во сколько раз фильтр ослабляет амплитуду первой гармоники выпрямленного напряжения

где Ur1вх, Ur1вых амплитуды напряжения первой гармоники на входе и выходе фильтра соответственно. На практике широко применяют Г- иП-образные LC- и RC- фильтры. В Г-образном фильтре заряд конденсатора С2 происходит через резистор R1, а разряд - через сопротивле-

ние нагрузки R2. Для получения малого коэффициента пульсаций желательно выполнять условие

В таком фильтре за счет падения на резисторе R1 уменьшается U0 и снижается КПД. Сопротивление конденсатора С2 на частоте выходного напряжения должно быть много меньше, т.е.

П-образный фильтр можно рассматривать как последовательное соединение емкостного и Г-образного фильтров. Поэтому коэффициент пульсаций этих фильтров можно представить в виде произведения коэффициентов пульсаций каждого фильтра. Емкости обоих конденсаторов обычно равны, т.е. С1 = С2. LC-фильтры целесообразнее использовать в мощных ВИП, a RC-фильтры при небольших токах нагрузки.

Допустимые коэффициенты пульсации для усилителей низкой частоты КП = 0,05…0,5 %; для коллекторных и эмиттерных цепей транзисторов КП = 0,01 %; для радиоприемников КП = 0,01... 0,10 %.2. Методика выполнения работы на стенде

Под руководством преподавателя при обесточенном лабораторном стенде собрать схему выпрямителя. Особое внимание обратить на полярность включения конденсаторов.

Исследование мостовой схемы выпрямителя при работе на активную нагрузку.

На вход выпрямителя подать переменное напряжение 15 В, соединив проводами гнезда "15 В", "общ.", "1" и "2". В качестве миллиамперметра использовать прибор АВМ2 стенда, а в качестве вольтметра выходного напряжения - ABM1. При помощи осциллографа измерить и зарисовать в масштабе эпюры напряжений в точках "3","4": при наличии конденсаторов C1, C2; при наличии только конденсатора C2; без обоих конденсаторов.

Определить коэффициент пульсаций схемы для трех вариантов включения схемы по п. 2.2.1.При R1 = 200 Ом определить, как влияет на работу схемы изменение резистора R2. Для каждого значения сопротивления рези-

стора R2 провести измерение тока нагрузки IН, напряжения на нагрузочном резисторе U0 и амплитуды пульсаций Ur1. Амплитуду пульсаций измерить при помощи осциллографа. Результаты исследований свести в таблицу.

При R1= 1 кОм, R2= 1,6 кОм определить, как изменятся коэффициент пульсаций, ток нагрузки и напряжение на нагрузочном резисторе, если установить конденсаторы С1=С2=50 мкФ.

Исследование мостовой схемы выпрямителя в среде схемотехнического моделирования Electronics WorkBench

Соберите схему мостового выпрямителя в среде Electronics Workbench (Multisim) (рис. 1.2). Настройте необходимые параметры моделирования и получите осциллограммы на входе и выходе схемы

При помощи осциллографа получить осциллограммы при наличии конденсаторов C1, C2; при наличии только конденсатора C2; без обоих конденсаторов. Сравнить осциллограммы с результатами экспериментального исследования.Определить коэффициент пульсаций схемы для трех вариантов включения схемы и сравнить со значением при прямом измерении. 

При R1 = 200 Ом определить, как влияет на работу схемы изменение резистора R2. Для каждого значения сопротивления резистора R2 провести измерение тока нагрузки IН, напряжения на нагрузочном резисторе U0 и амплитуды пульсаций Ur1. Результаты исследований свести в таблицу. Сравнить с результатами, полученными при прямом измерении.

3. Содержание отчета

Отчет оформляет каждый студент самостоятельно. Защита проходит в начале каждого следующего занятия с демонстрацией работы устройства на ЭВМ (при необходимости). Студент, не подготовивший или не защитивший отчет по работе, к следующей лабораторной работе не допускается.

Исследование параметрического стабилизатора напряжения

Цель работы.

Схема электрическая принципиальная исследуемого выпрямителя (см. рис. 1.1).

Результаты прямых измерений, сведенные в таблицу, эпюра напряжений в заданных точках.

Результаты исследования схемы мостового выпрямителя в среде моделирования Electronics WorkBench (Multisim).

Выводы по работе, сравнение результатов, полученных при прямом измерении и моделировании, отмеченные недостатки, преимущества и область применения рассмотренного мостового выпрямителя.

Цель работы. Изучить принципы построения параметрического стабилизатора напряжения, исследовать нагрузочную способность, определить амплитуду пульсаций выходного напряжения. Оборудование. Осциллограф СI-73, лабораторный стенд 87Л-01, среда схемотехнического моделирования Electronics WorkBench.

1. Общие сведения

Электропитание маломощных цепей электронных схем c небольшим пределом изменения тока потребления осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Кроме того, ПCH широко используются в качестве источников опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения и тока. Для стабилизации постоянного напряжения в ПСН применяются элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой, например кремниевые стабилитроны. Принципиальная схема исследуемого ПСН приведена на рис. 2.1. Диоды V1... V4 представляют собой мостовой выпрямитель, конденсаторы C1 - С2 фильтрующие, R1- ограничительный резистор, R2- нагрузочный резистор, V5 - кремниевый стабилитрон, PA - измеритель тока.

При увеличении напряжения на входе параметрического стабилизатора напряжения ток через стабилитрон в соответствии с его ВАХ резко увеличивается (рис. 2.2), что приводит к увеличению тока через резистор R1 и соответствующему увеличению падения напряжения на этом резисторе. Напряжения на стабилитроне, а следовательно, и на нагрузке (резистор R2) при этом практически не меняются. При уменьшении напряжения, наоборот, падение напряжения на R1 уменьшается таким образом, что напряжение на стабилитроне и нагрузке остается неизменным. Значение изменения напряжения на табилитроне V5 (±ДUн) зависит от изменения входного напряжения ±Uвх, сопротивления ограничивающего резистора R1 и дифференциального сопротивления стабилитрона

Коэффициент стабилизации (по входному напряжению) схемы ПСН:

Внутреннее сопротивление ПСН определяется в основном дифференциальным сопротивлением стабилитрона. Температурный коэффициент напряжения kt стабилитрона определяет величину отклонения входного напряжения ПСН при изменении температуры. Для стабилитронов с Uсм> 5,5 В при повышении температуры напряжение на стабилитроне возрастает. Поэтому температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении, но при этом возрастает внутреннее сопротивление ПСН за счет дифференциальных сопротивлений термокомпенсирующих диодов в прямом направлении, которое зависит от выбранного типа диода и режима его работы. Рис. 2.2. ВАХ стабилитронаМетодика выполнения работы на стенде ВНИМАНИЕ! Без разрешения преподавателя тумблер "СЕТЬ" стенда не включать!

Из элементов, подготовленных к работе, собрать схему ПСН (см. рис. 2.1). На вход ПСН (выводы 1 и 2) подать напряжение 15 В, соединив проводами гнезда "15 В", "общ.", "1" и "2". В качестве миллиамперметра использовать прибор АВМ2 стенда, а в качестве вольтметра выходного напряжения - AВМ1.При помощи осциллографа измерить и зарисовать в масштабе величину пульсации в точках x3, x4 схемы при наличии конденсатора C1 и без него. Аналогично все проделать для выходного напряжения (гнезда 3, 4 схемы рис. 2.1).

Исследовать работу ПСН. Для этого диоды V1, V2 , V3, V4, отключить от схемы (вытащить их из гнезд), а на гнезда x3, x4 подать напряжение от нуля до +15 В от гнезд "ГH2" стенда, соблюдая при этом полярность напряжения и правильность подключения измерительных приборов АВМ1 и АВМ2. мостовой выпрямитель фильтр

Определить пределы тока нагрузки Iн, обеспечивающие устойчивую стабилизацию напряжения при изменении R2. При выполнении необходимо проводить измерение амплитуды пульсаций Uн, стабилизированного напряжения Uн с помощью милливольтметра

АВМ2 и осциллографа. Результаты исследований свести в таблицу.

Исследование схемы параметрического стабилизатора напряжения в среде схемотехнического моделирования Electronics WorkBench

Соберите схему параметрического стабилизатора напряжения в среде Electronics Workbench (Multisim) (рис. 2.3). Настройте необходимые параметры моделирования и получите осциллограммы на входе и выходе схемы (рис. 2.4).При помощи осциллографа получить осциллограммы и измерить величину пульсации в точках x3, x4 схемы при наличии конденсатора C1 и без него (см. рис. 2.1). Сравнить осциллограммы с результатами экспериментального исследования. Аналогично исследовать выходное напряжение.

Исследовать работу параметрического стабилизатора напряжения. Для этого отключить от схемы диоды V1 - V4 , на гнезда x3, x4 подать напряжение от нуля до +15 В. Получить и проанализировать осциллограммы входного и выходного напряжения.

Определить пределы тока нагрузки Iн, обеспечивающие устойчивую стабилизацию напряжения при изменении R2 (200 Ом - 20 кОм).

Произвести измерение амплитуды пульсаций Uп стабилизированного напряжения Uн с помощью милливольтметра и осциллографа. Результаты исследований свести в таблицу. Сравнить с результатами, полученными при прямом измерении.

Содержание отчета

Отчет оформляет каждый студент самостоятельно. Защита проходит в начале каждого следующего занятия с демонстрацией работы устройства на ЭВМ (при необходимости). Студент, не подготовивший или не защитивший отчет по работе, к следующей лабораторной работе не допускается.

Схема электрическая принципиальная исследуемого параметрического стабилизатора напряжения (см. рис. 2.1).

Расчет схемы ПСН при Uвх= 15 В, Uн = 7,8 В, Iн = 5 мА.

Результаты прямых измерений, сведенные в таблицу, и необходимые графики.

Результаты исследования схемы ПСН в среде моделирования Electronics WorkBench (Multisim).

Выводы по работе, сравнение результатов, полученных при прямом измерении и при моделировании, отмеченные недостатки, преимущества и область применения рассмотренного ПСН.

Контрольные вопросы

Объясните назначение элементов схемы ПСН.

Что такое коэффициент стабилизации и как зависит его величина от режимов работы элементов схемы?Объясните, что означает увеличение и уменьшение нагрузки стабилизатора.

Как влияет величина сопротивления нагрузки на коэффициент стабилизации?

Дайте определение дифференциального сопротивления стабилитрона.

Какие паспортные параметры стабилитронов вы знаете?

Объясните методику расчета ПСН.

Исследование компенсационного стабилизатора напряжения

Цель работы. Изучить принципы построения компенсационного стабилизатора напряжения, исследовать нагрузочную способность,

определить амплитуду пульсаций выходного напряжения. Оборудование. Осциллограф CI-73, лабораторный стенд 87Л-01,

среда схемотехнического моделирования Electronics WorkBench.

1. Общие сведения

Компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН) обеспечивают необходимую стабильность напряжения на нагрузке при помо-

щи цепи отрицательной обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ), включенный последовательно или параллельно

с нагрузкой. Схема последовательного КСН приведена на рис. 3.1 и содержит регулирующий элемент (РЭ), устройство сравнения (УС) и усилитель

постоянного тока (УПТ). РЭ выполнен на VТ1, а схема сравнения и УПТ выполнены на R1, V5, VТ2, R3, R4, R5. R5, R4, R6 представляют собой делитель напряжения; R1, V5 -источник опорного (эталонного) напряжения Uоп. Резистор R5 является нагрузкой КСП. V1…V4 - мостовой выпрямитель; С1, С2 - фильтрующие (сглаживающие) конденсаторы.В таком КСН происходит непрерывное сравнение напряжения

на нагрузочном резисторе R6 (части его) с опорным напряжением Uоп, создаваемым с помощью параметрического стабилизатора.

Рис. 3.1. Схема компенсационного стабилизатора напряжения: V1, V2, V3, V4 -диоды КД103А (Д220); VТ1, VТ2 - транзисторы МП40;

R1=12 кОм; R2=7,5 кОм; R3=200 Ом; R4=2,2 кОм (переменное); R5=1 кОм; R6=620 кОм (1,2 кОм; 1,8 кОм); С1 - 50 мкФ Ч 25 В;

С2 - 20 мкФ Ч 25 В При увеличении R6 (или уменьшении нагрузочного тока) напряжение Uвых повышается, отклоняясь от номинального значения.Часть напряжения Uвых, равная КUвых (К - коэффициент деления резистивного делителя R3, R4, R5), являясь сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением Uоп, снимаемым с параметрического стабилизатора. Так как Uоп=const, то напряжение Uэб транзистора VT2 из-за увеличения напряжения КUвых уменьшается (Uэб= Uоп - КUвых). Следовательно, коллекторный ток транзистора VT2 снижается, это приводит к уменьшению напряжения между базой и коллектором VТ1, что равносильно увеличению его сопротивления.

Вследствие этого падение напряжения на транзисторе VT1 возрастает, благодаря чему напряжение Uвых приобретает значение, близкое к но-

минальному с определенной степенью точности. С помощью резистора R4 осуществляется регулирование напряжения Uвых. Конденсатор С2 предназначен для улучшения переходных характеристик и повышения степени устойчивости стабилизатора. Величина температурной нестабильности (изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среди) дUt определяется в основном температурным уходом напряжения Uэб транзистора VT2, параметров источника опорного напряжения и делителя выходного напряжения.

Для получения минимального значения дUt необходимо: 1. В делителе выходного напряжения применять термостабильные резисторы (типов ПТМН, 05-22, C2-31).

2. Каскад УПТ выполнять по дифференциальной схеме.

3. Применять термокомпенсированные стабилитроны (типов Д818Е, КС196Г). Такие стабилизаторы получили наибольшее распространение

вследствие сравнительно высоких КПД и качества стабилизации, которое определяется коэффициентом стабилизации и внутренним сопротив-

лением. Коэффициент стабилизации равен отношению относительных изменений напряжений на выходе КСН и определяется по формуле

где ДUвх и ДUвых - приращения входного и выходного напряжений стабилизатора соответственно. Внутреннее сопротивление стабилизатора определяется отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение значению выходного тока.

2. Методика выполнения работы на стенде

Под руководством преподавателя при обесточенном стенде собрать схему компенсационного стабилизатора напряжения. Особое внимание необходимо обратить на полярность включения элементов.

Исследовать компенсационный стабилизатор напряжения при работе на активную нагрузку.

Изменяя величину резистора R4, установить на выходе КCН напряжение Uвых= 9 В. Определить пределы стабилизация напряжения Uвых при дискретном изменении величины сопротивления резистора R6. 2.2.2. Измерить амплитуду пульсаций Uп стабилизированного напряжения Uвых при различных значениях R6 (тех же, что и в п. 2.2.1). Результаты исследований занести в таблицу.

Определить режимы работы транзисторов и рассчитать токи Iэ, Iк, Iб.

Определить внутреннее сопротивление КСН.

3. Исследование схемы параметрического стабилизатора напряжения в среде схемотехнического моделирования Electronics WorkBench

Соберите схему компенсационного стабилизатора напряжения в среде Electronics Workbench (Multisim) (рис. 3.2). Настройте необходимые параметры моделирования и получите осциллограммы на входе и выходе схемы (рис. 3.3). Сравнить осциллограммы с результатами экспериментального исследования.

Определить пределы стабилизации выходного напряжения при изменении величины сопротивления резистора R6 в пределах 100 Ом - 10 кОм. Построить зависимость Uвых(R6). Сравнить с результатами, полученными при прямом измерении.

Измерить амплитуду пульсаций Uп стабилизированного напряжения Uвых при различных значениях R6 (тех же, что и в п. 3.2).

Результаты исследований занести в таблицу. Сравнить результаты с экспериментальными данными.

Исследовать работу КСН при разном значении емкости конденсаторов С1, С2. Сделать вывод о влиянии емкости на выходное напряжение.

Определить токи Iэ, Iк, Iб транзисторов и сравнить эти значения с расчетными.

4. Содержание отчета

Отчет оформляет каждый студент самостоятельно. Защита проходит в начале каждого следующего занятия с демонстрацией работы устройства на ЭВМ (при необходимости). Студент, не подготовивший или не защитивший отчет по работе, к следующей лабораторной работе не допускается.Схема электрическая принципиальная исследуемого компенсационного стабилизатора напряжения (см. рис. 3.1).

Результаты измерений, сведенные в таблицу, и зависимость Uп(R6).

Результаты исследования схемы КСН в среде моделирования Electronics WorkBench (Multisim).

Выводы по работе, сравнение результатов, полученных при прямом измерении и при моделировании, отмеченные недостатки, преимущества и область применения рассмотренного КСН.

Контрольные вопросы

Объясните назначение элементов исследуемого стабилизатора.

Что такое коэффициент стабилизации и как зависит его величина от режимов работы элементов схемы стабилизатора?

Что такое увеличение и уменьшение нагрузки стабилизатора и как влияет величина нагрузки на коэффициент стабилизации?

Дайте определение внутреннего сопротивления стабилизатора.

Объясните принцип действия стабилизатора компенсационного типа

Дайте определение коэффициента усиления по току транзистора при включении его по схеме с ОЭ.

Чему равен коэффициент усиления составного транзистора?

Какие паспортные параметры стабилитронов вы знаете?

Что такое напряжение насыщения транзистора?

В каком соотношении находятся токи коллектора, базы и эмиттера транзистора?Размещено на Allbest.ru