Материал: Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы напряжения

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова"

Кафедра "Радиотехника"

Лабораторная работа

Импульсные стабилизаторы напряжения

Выполнил студент

группы Б05-283-1

Ворсина А.С.

Проверил

д.т.н., профессор

Шелковников Ю.К.

Ижевск 2014

Содержание

напряжение стабилизатор импульсный радиотехнический

Введение

. Цель работы

. Краткие теоретические сведения

. Задание на моделирование в среде Micro-Cap

.1 Построение схемы импульсного стабилизатора напряжения

.2 Построение графиков, нахождение параметров ИСН

Заключение

Список литературы

Введение

Современные электрические и радиотехнические устройства должны отличаться надежностью и экономичностью работы, длительным сроком службы, зачастую небольшими массогабаритными показателями и весьма высокой точностью. Как для маломощных источников, так и при подключении к сетям большой мощности для обеспечения постоянства напряжения обычно используются специальные устройства - стабилизаторы напряжения, которые включаются между источником и потребителем. Особо следует выделить компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН). В одних случаях они используются как высокостабильные источники питания, в других - как источники образцового напряжения.

Образцовое напряжение необходимо в системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схем, в схемах электрического моделирования. Техника стабилизации напряжения в настоящее время достигла значительных успехов и, используя достижения измерительной техники, электроники, радиотехники и техники автоматического регулирования, продолжает бурное развитие. При помощи достижений в области полупроводниковой техники удалось получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности. Наиболее характерной чертой научно-технического прогресса является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

1. Цель работы

Целью работы являются исследование принципа работы импульсного стабилизатора, а также его моделирование в среде Micro-Cap.

2. Краткие теоретические сведения

Стабилизатор напряжения - преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Импульсный стабилизатор напряжения - это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть бо́льшую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения - с минимальным сопротивлением, а значит может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.

Разновидности

По соотношению входного и выходного напряжения

·              Понижающие

·              Повышающие

·              С произвольным изменением напряжения

·              Инвертирующие

По типу ключевого элемента

·              На полевых транзисторах

·              На тиристорах

·              На биполярных транзисторах

Интегрирующим элементом может быть

·              Дроссель

·              Конденсатор

·              Аккумулятор

В зависимости от режима работы могут быть стабилизаторы

·              на основе широтно-импульсной модуляции

·              двухпозиционные (или релейные)

Принцип действия

Важнейшими элементами импульсного источника питания являются ключ - устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Простейшим примером такого элемента может служить конденсатор, перед которым включено некоторое ненулевое сопротивление (в качестве которого может служить, к примеру, внутреннее сопротивление источника питания)

Особенности использования

Фильтрация импульсных помех

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных помех в связи с тем, что содержит ключи, коммутирующие ток. Сложно подобрать такой режим работы ключей, чтобы коммутация происходила в моменты, когда через ключ не протекает ток при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Поэтому в моменты коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, распространяющиеся как на вход, так и на выход стабилизатора. Для поглощения помех помехоподавляющие фильтры устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Использование в сетях переменного тока

Рассмотренные импульсные преобразователи напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток на выходе. Для питания устройств от сети переменного тока необходимо устанавливать на входе выпрямитель и сглаживающий фильтр. Стоит отметить, что импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет отрицательное дифференциальное сопротивление: при повышении напряжения на входе для сохранения выходного напряжения уменьшается входной ток, и наоборот. Если подключить такой стабилизатор через мостовой выпрямитель в сеть переменного тока, он станет источником нечётных гармоник[11]. Поэтому, чтобы обеспечить достаточный коэффициент мощности, требуется компенсатор.

Недостатки

·              Импульсные помехи. В связи с этим недопустимо применение низкочастотных импульсных БП для некоторых видов аппаратуры (напр., УМЗЧ);

·              Невысокий cosφ, что требует включения компенсаторов коэффициента мощности;

·              Меньшая надёжность, обусловленная как сложностью схемы, так и режимом работы ключевых элементов (высокое напряжение, большие мгновенные токи, большое число переключений за период эксплуатации, тяжёлый температурный режим кристалла диода или транзистора);

·              Трудность самостоятельной настройки или ремонта, обязательно требующая специальных навыков;

·              Тяжесть последствий при выходе из строя ключевых элементов;

·              Меньшее время наработки на отказ;

·              В случае их наличия, сердечники из распылённого железа содержат органический диэлектрик, вследствие чего подвержены термическому старению;

3. Задание на моделирование в среде Micro-Cap

Параметры и условия эксплуатации ИСН приведены в таблице 1.

Таблица 1

.1 Построение схемы импульсного стабилизатора напряжения

В лабораторной работе исследуется принципиальная схема ИСН с релейной системой регулирования (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема исследуемого ИСН

Перечень элементов схемы приведен в таблице 2.

Таблица 2

Моделирование схемы проводим по 1-му варианту.

3.2 Построение графиков, нахождение параметров ИСН

. Построение графика АПХ, расчет Kст, расчет КПД стабилизатора:

Используем анализ по постоянному току DC. В окне Micro-Cap 10.0.7.0 выбираем вкладку Анализ-Анализ по постоянному току. В появившемся окне Установки анализа по постоянному току необходимо указать диапазон изменения входного напряжения. Для этого в строке Variable 1 установить: Method=Auto, Name=Vl, Range=10,0,.5. В нижней части окна задать параметры графика АПХ: Выражение по оси X=V(IN), Выражение по оси Y =V(OUT), Масштаб оси X =AutoAlways, Масштаб по оси Y = AutoAlways. Для начала анализа нажать кнопку Запустить (рис. 3).

Рис. 2. Окно Установки анализа по постоянному току

Рис. 3. График зависимости V(OUT)=f(V(IN))

На экране появляется график зависимости V(OUT)=f(V(IN))(Рис.4). Для определения минимального допустимого входного напряжения стабилизатора найдем и обозначим параметры точки излома АПХ, используя кнопку Точка перегиба на панели инструментов. Первое значение соответствует координате по горизонтали и принимается как искомая величина, второе значение соответствует координате по вертикали и является выходным напряжением стабилизатора в рабочем режиме.

Найдем коэффициент стабилизации схемы, определяемый в виде

= (1)

где  =0,980- наклон АПХ.

Наклон АПХ определяется в окне результатов моделирования при использовании двух перемещаемых курсоров в виде перекрестий линий, сопровождающихся показаниями координат их местоположения на графике. Курсоры могут быть точно установлены в заданные точки как по оси Y, так и по оси X. На панели инструментов выбираем Идти по X. И на экране появляется дополнительное окно Перейти к X, где нужно указать координату левого или правого курсора и нажать соответствующую кнопку (Left или Right). По окончании перемещения курсоров экрана окно закрыть кнопкой Close. При этом в нижней части экрана выводятся координаты точек по осям в колонках Левая и Правая. В колонке Разность приводится разница координат точек по осям, а в колонке Наклон в первой строке указывается наклон АПХ, рассчитанный по точкам пересечения, а во второй строке - единичное значение.

Для перемещения курсоров в рабочую часть АПХ можно использовать мышь. Курсор мыши выводится в точку АПХ, где должен находиться, например, левый курсор экрана, затем нажимается левая кнопка мыши, и курсор экрана занимает положение курсора мыши. Для перемещения правого курсора экрана необходимо использовать правую кнопку мыши.

Рис. 4.Определение параметра Slope

. Расчет коэффициента сглаживания пульсаций:

Коэффициент сглаживания пульсаций определяется по формуле:

, (2)

где Uвх, Uвых - амплитуды пульсаций входного и выходного напряжений стабилизатора соответственно. Для определения амплитуд воспользуемся анализом переходных процессов. Для этого во вкладке Анализ выбираем Анализ переходных процессов. В настройках анализа выберем диапазон времени 25 мкс. В нижней части окна задать параметры графика: Выражение по оси X=Т, Выражение по оси Y =V(IN);Выражение по оси X=Т, Выражение по оси Y =V(OUT); Масштаб оси X =AutoAlways, Масштаб по оси Y = AutoAlways. Для начала анализа нажать кнопку Запустить (Рис. 6).

Рис. 5. Окно Установки анализа переходных процессов

На экране появляется график зависимости V(1)=f(t) и V(2)=f(t). Далее следует определить амплитуды этих сигналов. Для этого воспользуемся функцией определения глобального максимума и минимума.

Из графиков можно определить значения амплитуды сигнала на входе и на выходе схемы. Подставляя эти значения в формулу, находим коэффициент сглаживания пульсаций.

Рис. 6. график зависимости V(1)=f(t) и V(2)=f(t)

. Динамический анализ по постоянному току (температурный коэффициент стабилизатора; внутреннее сопротивление стабилизатора).

Температурный коэффициент стабилизатора равен отношению приращения выходного напряжения ∆Uвых к приращению температуры окружающей среды ∆tокр при неизменном входном напряжении и токе нагрузки (Uвх=const,Iвх=const): γ=∆Uвых/∆tокр.

Для определения температурного коэффициента воспользуемся динамическим анализом по постоянному току. Для этого во вкладке Анализ выбираем Динамический анализ по постоянному току. Для начала определим напряжение выхода при температуре -20°С. Также определим, какой потенциал будет в этой точке при 60°С.

Рис. 7. Динамический DC анализ: а - T=-20°С; б - T=60°С

Подставляем полученные значения в формулу:

Внутреннее сопротивление стабилизатора ri, определяется как отношение приращения выходного напряжения ∆Uвых к приращению тока нагрузки ∆IН, при неизменном входном напряжении Uвх=const:ri =∆Uвых /∆Iн.

В стабилизаторах напряжения внутреннее сопротивление может достигать тысячных долей ома.

Для определения внутреннего сопротивления стабилизатора воспользуемся динамическим анализом по постоянному току(dynamic DC). Далее необходимо измерить значения тока и напряжения в нагрузке, так же зафиксировать их изменения при изменении сопротивления нагрузки. В установках анализа укажем комнатную температуру (т.е. 27°С). Нажмём на кнопки, позволяющие отобразить токи и узловые потенциалы.

Рис. 8. Установки динамического DC анализа

На основе полученных данных находим внутреннее сопротивление стабилизатора.

. Метод Монте-Карло.

Для проведения анализа методом Монте-Карло необходимо задать разброс параметров пассивных элементов схемы. Проделаем это на примере резистора R1. Дважды щелкнем на резисторе левой кнопкой мыши и вызовем тем самым окно настройки компонента. В пункте MODEL пропишем RES1 и щелкнем клавишу Enter. Далее пройдем в меню Models в нижней левой части экрана. В поле пропишем команду RES1 RES (R=1 DEV=10%). Что означает - варьировать случайным разбросом сопротивление модели RES1 в пределах 10% относительно номинала. Проделаем аналогичную операцию для всех пассивных элементов цепи.