Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи лабораторный практикум. Часть I

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ Лабораторный практикум по дисциплине «Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи» для студентов всех форм обучения специальности 190402 – «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» ЧАСТЬ I

Иркутск 2009 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ Лабораторный практикум по дисциплине «Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи» для студентов всех форм обучения специальности 190402 – «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» ЧАСТЬ I

Иркутск 2009 УДК 621.31 1

ББК 31.2 Э45

Составители: М.В. Копанев, канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и телемеханики (ИрГУПС); В.П. Яковец, старший преподаватель кафедры автоматики и телемеханики (ИрГУПС)

Рецензент В.С .Марюхненко, канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и телемеханики (ИрГУПС)

Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи : лабораторный практикум. Часть I / сост. М.В. Копанев, В.П. Яковец. – Иркутск : ИрГУПС, 2009. – 28 с. Изложены методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи» для студентов специальности 190402 – «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте». Исследуются наиболее распространенные однофазные и трехфазные схемы выпрямления, схемы умножения напряжения, параметрический и компенсационный стабилизаторы напряжения на математических моделях, построенных с использованием программного комплекса «Electronics Workbench». Ил. 17. Табл. 2. Библиогр.: 2 назв.

© Иркутский государственный университет путей сообщения, 2009

2

Учебное издание

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ Лабораторный практикум Часть I

Составитель, автор компьютерной верстки М.В. Копанев Редактор Е.И. Самовольнова Подписано в печать 30.03.2009. Формат 60х84/16. Печать офсетная Усл. печ. л.1,75. Уч. -изд. л. 1,68. План 2009 г. Тираж 150. Заказ Типография ИрГУПСа, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15 3

СОДЕРЖАНИЕ ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ.......................................... 5 ПОРЯДОК РАБОТЫ С ПРОГРАММНЫМ КОМПЛЕКСОМ «ELECTRONICS WORKBENCH» ..................................................................... 7 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ............................ 14 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ............................. 18 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С УМНОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ................................................................................................. 21 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ ......................... 24 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................. 28

4

ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Соблюдение требований техники безопасности является необходимым условием допуска студента к выполнению лабораторных работ. Защита от поражения электрическим током При выполнении лабораторных работ следует знать, что компьютеры питаются от общей промышленной сети переменного тока действующим напряжением 220 В, частоты 50 Гц. Необходимо также учитывать, что ненагруженные конденсаторы во вторичных источниках питания компьютеров заряжаются почти до амплитудного значения (около 310 В). Воздействие электрического тока на организм человека зависит от его индивидуальных особенностей и даже напряжение 12–24 В может вызвать электротравму. Для защиты от воздействия электрического напряжения питающей сети, попадающего (при неисправной изоляции) на корпус компьютера, его корпус должен быть заземлен. ЗАПРЕЩАЕТСЯ: • раскладывать на рабочем месте посторонние крупногабаритные предметы (папки, портфели, верхнюю одежду и т.п.). • начинать работу без разрешения преподавателя; • оставлять без присмотра помещение с включенными компьютерами; • прикасаться без надобности к корпусу системного блока компьютера. ТРЕБОВАНИЯ: На рабочем месте перед включением компьютера нужно убедиться в заземлении корпуса компьютера (при отсутствии заземления доложить преподавателю); Включение компьютера выполнять только правой рукой. Остальные части тела, и особенно левая рука, не должны касаться токопроводящих элементов и корпуса системного блока компьютера. При обнаружении присутствия повышенного напряжения на корпусе системного блока компьютера необходимо: а) немедленно исключить любой контакт тела с проводящей поверхностью; б) доложить об обнаружении напряжения на корпусе присутствующему преподавателю. 5

При случайном поражении кого-либо электрическим током принять немедленные меры к освобождению пострадавшего от воздействия электрического напряжения, оказать ему первую помощь и сообщить об этом преподавателю. ДО ВЫЯСНЕНИЯ ПРИЧИН ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ КОМПЬЮТЕР В СЕТЬ НЕ ВКЛЮЧАТЬ! Исключение механических травм и разрушения компьютера На рабочем месте следует избегать резких движений, взмахов руками и т.п. При этом запрещается: а) перемещать приборы, снимать их со столов или обмениваться между бригадами без распоряжения и личного участия преподавателя; б) садиться на стол лабораторной установки или залезать под него; в) сдвигать лабораторные установки с установленных мест; г) перебрасываться друг с другом различными предметами – тетрадями, ручками, папками и т.п. Исключение возгорания и развития пожара Для исключения возгорания и развития пожара на рабочем месте запрещается: а) пользоваться открытым огнем от любых источников и с любыми целями; в) пользоваться для подключения электрических приборов неисправными розетками, вилками и шнурами. При малейших признаках проявления специфического запаха перегретых проводников, радиодеталей и изоляции немедленно выключить компьютер и доложить преподавателю. Обеспечение информационной безопасности При исследовании моделей электрических схем на компьютере: а) разрешается работать только на выделенном компьютере и в тех папках (директориях), которые определены преподавателем; б) разрешается использовать для исследований моделей схем и обработки результатов рекомендованные программные средства; в) запрещается запуск и работа иных, не связанных с выполнением лабораторной работы, программ.

6

ПОРЯДОК РАБОТЫ С ПРОГРАММНЫМ КОМПЛЕКСОМ «ELECTRONICS WORKBENCH» 1) Создайте рабочую папку, например «Ivanov», в папке «Мои документы». 2) Запустите программный комплекс «Electronics Workbench», кликнув дважды на ярлык программы, находящийся на «Рабочем столе». 3) Откройте существующий файл, например lab11.ewb, в папке «Модели». 4) Подготовьте новый файл для выполнения работы. Для этого выполните операцию «Save As» из меню «File». При выполнении операции «Save As» необходимо перейти в созданную рабочую папку и указать имя файла, например 11, в котором будет храниться исследуемая схема (рис. 1).

Рис. 1. Вид окна при сохранении схемы

7

5) Соедините контакты элементов в рабочей области «Electronics Workbench» по заданной преподавателем схеме (рис. 2).

Рис. 2. Вид собранной схемы

Для соединения двух контактов необходимо навести указатель мыши на один из контактов. При появлении черной точки нажать на нее левой кнопкой мыши. Не отпуская левую кнопку, довести указатель мыши до второго контакта. При появлении черной точки в зоне контакта отпустить кнопку мыши. Аналогичным образом можно получить дополнительные узлы (разветвления) в любой части проводников схемы. Осциллограф (Oscilloscope) подключайте следующим образом: более высокий потенциал – к левому нижнему контакту, более низкий потенциал – к правому нижнему контакту. 6) Установите заданные преподавателем значения параметров элементов схемы. Для доступа к параметрам элемента схемы нужно навести указатель мыши на его изображение и дважды щелкнуть левой кнопкой мыши (рис. 3). 7) Разверните изображение осциллографа на экране. Для этого нужно навести указатель мыши на его изображение и дважды щелкнуть левой кнопкой мыши (рис. 4). 8

Рис. 3. Изменение параметра элемента схемы

Рис. 4. Вид окна с развернутым осциллографом 9

8) Чтобы получить максимальное изображение, нажмите кнопку Expand на изображении осциллографа (рис. 5).

Рис. 5. Вид окна с максимальным изображением осциллографа

9) Для запуска работы схемы нажмите кнопку включения питания в правом верхнем углу окна, на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (замыкание элемента питания накоротко, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение. Если ошибок нет, на экране осциллографа появится сигнал. Для прекращения работы схемы повторно нажмите кнопку включения питания в правом верхнем углу окна, на панели инструментов. Для приостановки и продолжения работы схемы используйте кнопку «Pause». 10) Настройте вид кривой измеряемого напряжения на экране осциллографа к виду, удобному для проведения измерений. 10

Настройка временных и амплитудных параметров кривой осуществляется изменением параметров полей «Time base» и «Channel A» (рис. 6).

Рис. 6. Вид окна с настроенным изображением осциллографа

11) Измерьте амплитудные и временные характеристики полученной кривой. При измерении временных интервалов, например периода колебаний, используйте маркеры 1 и 2 на экране осциллографа. Маркер 1 устанавливайте в начале временного интервала, а маркер 2 – в конце. В поле «T2-T1» показывается значение измеренного временного интервала (рис. 7). При измерении амплитуды также используйте маркеры 1 и 2. Маркер 2 устанавливайте в точке наибольшего значения амплитуды, а маркер 1 – в точке наименьшего. В поле «VA2-VA1» показывается значение разности измеренных маркерами 1 и 2 напряжений (рис. 8). 11

Рис. 7. Измерение временного интервала

Рис. 8. Измерение амплитуды напряжения 12

12) Сохраните результаты измерения. Для этого в меню «Edit» выполните операцию «Copy as Bitmap». Затем выделите появившимся маркером изображение осциллографа, для чего наведите его на левый верхний угол осциллографа, нажмите левую кнопку мыши, удерживая кнопку мыши, переведите маркер в правый нижний угол осциллографа, отпустите кнопку. Далее дважды кликните на ярлык программы «Paint» на «Рабочем столе», выполните в открывшемся окне операцию «Вставить» из меню «Правка» и операцию «Сохранить как» из меню «Файл». Сохранение файла рисунка выполните в формате JPEG в созданной рабочей папке, присвоив имя, например 111 (рис. 9).

Рис. 9. Сохранение результатов измерения

13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ Цель работы: исследование параметров работы однофазных выпрямителей на примере однополупериодной и двухполупериодной (мостовой) схемы выпрямления. Общие сведения В зависимости от мощности, напряжения, допустимой амплитуды пульсации и т.д. применяются различные схемы выпрямления [1, гл. 3, § 3.5.3; 2, гл. 3, § 3.4]. Однополупериодная схема является простейшей схемой выпрямления (рис. 10).

Рис. 10. Однофазная однополупериодная схема выпрямления

При появлении положительного потенциала на аноде диод D открывается, и через сопротивление нагрузки R течет ток. При появлении отрицательного потенциала на аноде диод закрывается, и ток через сопротивление нагрузки не течет [1, гл. 3, § 3.5.4; 2, гл. 3, § 3.5]. 14

Т.к. сопротивление диода в прямом направлении принято равным нулю, то в течение положительного полупериода напряжение на нагрузке (R) равно напряжению источника переменного тока V. Во время отрицательного полупериода сопротивление диода принято равным бесконечности, ток в нагрузке отсутствует, и напряжение на её зажимах равно нулю. Двухполупериодное выпрямление может быть осуществлено при помощи однофазной мостовой схемы выпрямления (рис. 11). Она находит наиболее широкое применение при питании от однофазной сети.

Рис. 11. Однофазная мостовая схема выпрямления

В однофазной мостовой схеме выпрямления ток течет через диоды D1 и D3 в течение положительного полупериода напряжения источника переменного напряжения, и через диоды D2 и D4 – в течение отрицательного полупериода [1, гл. 3, § 3.5.4; 2, гл. 3, § 3.5]. Порядок выполнения работы 1) Запустить программу Electronics Workbench. 2) Собрать однофазную однополупериодную схему выпрямления с напряжением источника питания переменного тока 24 В. Включить и выключить схему. 3) В меню «Analysis» выбрать строку «Analysis Options». В открывшемся окне «Analysis Options» выбрать закладку «Instruments». Удалить галочку в строке «Generate time step automatically». Установить 15

метку в строке «Minimum number of time points» и ввести число 500. 4) Установить сопротивление нагрузки R = 10 Ом. 5) С помощью виртуального осциллографа определить период и амплитуду пульсации выпрямленного напряжения. Вычислить частоту пульсаций напряжения на нагрузке. Схему и осциллограммы сохранить для отчета. 6) В исходную схему включить индуктивный фильтр L = 100 мГн последовательно с сопротивлением нагрузки R = 10 Ом. Выполнить действия по п. 5. 7) В предыдущую схему включить емкость C = 1000 мкФ параллельно сопротивлению нагрузки R = 10 Ом и установить значение L = 100 мГн. Выполнить действия по п. 5. 8) Исключить из предыдущей схемы индуктивность, установить значения R = 100 Ом и C = 100 мкФ. Выполнить действия по п. 4. 9) Собрать однофазную мостовую схему выпрямления с напряжением источника питания переменного тока 24 В. Включить и выключить схему. 10) В меню «Analysis» выбрать строку «Analysis Options». В открывшемся окне «Analysis Options» выбрать закладку «Instruments». Удалить галочку в строке «Generate time step automatically». Установить метку в строке «Minimum number of time points» и ввести число 500. 11) Выполнить действия по п.п. 4 и 5. 12) В исходную схему включить индуктивный фильтр L = 50 мГн последовательно с сопротивлением нагрузки R = 10 Ом. Выполнить действия по п. 5. 13) В предыдущую схему включить емкость C = 1000 мкФ параллельно сопротивлению нагрузки R = 10 Ом и установить значение L = 10 мГн. Выполнить действия по п. 5. 14) Исключить из предыдущей схемы индуктивность и установить значения R = 100 Ом и C = 1000 мкФ. Выполнить действия по п. 5. 15) Сделать выводы на основе полученных результатов. 16) Подготовить отчет о проделанной работе. Отчет должен содержать: − название работы; − цель работы; − сохраненные схемы и осциллограммы напряжений; − расчеты; − выводы; − ответы на контрольные вопросы (устно).

16

Вопросы 1. Классификация схем выпрямления. 2. Каков принцип работы однофазной однополупериодной и мостовой схемы выпрямления? 3. Каковы достоинства и недостатки однофазных схем выпрямления? 4. В каком случае имеет место вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора и почему? 5. Имеют ли место пульсации выпрямленного напряжения? Каким способом можно их уменьшить?

17

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ Цель работы: исследование параметров работы трехфазных выпрямителей на примере однополупериодной и двухполупериодной (мостовой) схемы выпрямления. Общие сведения Трехфазная однополупериодная схема выпрямления (рис. 12) состоит из трёхфазного трансформатора и трёх диодов. Первичные обмотки трансформатора могут быть соединены звездой или треугольником, а вторичные обмотки соединяют только звездой, т. к. требуется общий вывод. Эту схему можно представить как три параллельно включенные однофазные однополупериодные схемы выпрямления, работающие на общую нагрузку.

Рис. 12. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления

При появлении наибольшего положительного потенциала (относительно общей точки) на аноде одного из диодов, например D1, он открывается, и ток течет через сопротивление нагрузки R. В любой момент времени ток течет через тот диод, у которого напряжение на аноде выше, чем на катоде. А так как катоды всех трёх диодов соединены в общей точке и подключены к нагрузке, то ток пропускает тот диод, у которого напряжение на аноде максимально [1, гл. 3, § 3.5.4; 2, гл. 3, § 3.5]. 18

В трехфазной мостовой схеме выпрямления (рис. 13) первичные и вторичные обмотки трансформатора можно соединить звездой или треугольником. При появлении наибольшей разности потенциалов на концах двух фазных обмоток открываются соответствующие два диода, и ток протекает через сопротивление нагрузки [1, гл. 3, § 3.5.4; 2, гл. 3, § 3.5].

Рис. 13. Трехфазная мостовая схема выпрямления

Порядок выполнения работы 1) Запустить программу Electronics Workbench. 2) Собрать трехфазную однополупериодную схему выпрямления с напряжением источника питания трехфазного переменного тока 24 В. Установить угол сдвига напряжения 0, 120, 240 градусов в фазах V1, V2, V3 соответственно. Включить и выключить схему. 3) В меню «Analysis» выбрать строку «Analysis Options». В открывшемся окне «Analysis Options» выбрать закладку «Instruments». Удалить галочку в строке «Generate time step automatically». Установить метку в строке «Minimum number of time points» и ввести число 500. 4) Установить сопротивление нагрузки R = 10 Ом. 5) С помощью виртуального осциллографа определить период и амплитуду пульсации выпрямленного напряжения. Вычислить частоту пульсаций напряжения на нагрузке. Схему и осциллограммы сохранить для отчета. 6) В исходную схему включить индуктивный фильтр L = 30 мГн последовательно с сопротивлением нагрузки R = 10 Ом. Выполнить 19

действия по п. 5. 7) В предыдущую схему включить емкость C = 300 мкФ параллельно сопротивлению нагрузки R = 10 Ом, оставив неизменным значение индуктивности L. Выполнить действия по п. 5. 8) Исключить из предыдущей схемы индуктивность, установить значения R = 100 Ом и C = 500 мкФ. Выполнить действия по п. 5. 9) Собрать трехфазную мостовую схему выпрямления с напряжением источника питания трехфазного переменного тока 24 В. Установить угол сдвига напряжения 0, 120, 240 градусов в фазах V1, V2, V3 соответственно. Включить и выключить схему. 10) Выполнить действия по п. 3. 11) Установить сопротивление нагрузки R = 1 Ом. Выполнить действия по п. 5. 12) В исходную схему включить индуктивный фильтр L = 1 мГн последовательно с сопротивлением нагрузки R = 1 Ом. Выполнить действия по п. 5. 13) В предыдущую схему включить емкость C = 1000 мкФ параллельно сопротивлению нагрузки R = 1 Ом, оставив неизменным значение индуктивности L. Выполнить действия по п. 5. 14) Исключить из предыдущей схемы индуктивность и установить значения R = 50 Ом и C = 1000 мкФ. Выполнить действия по п. 5. 15) Сделать выводы на основе полученных результатов. 16) Подготовить отчет по проделанной работе. Отчет должен содержать: − название работы; − цель работы; − сохраненные схемы и осциллограммы напряжений; − расчеты; − выводы; − ответы на контрольные вопросы (устно). Вопросы 1. В чем заключается отличие однофазного и трехфазного источника напряжения переменного тока? 2. Каков принцип работы трехфазной однополупериодной и мостовой схемы выпрямления? 3. Каковы достоинства и недостатки трехфазных схем выпрямления? 4. Имеет ли место вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора? 5. Имеют ли место пульсации выпрямленного напряжения в трехфазных схемах? Каким способом можно их уменьшить? 20

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С УМНОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ Цель работы: исследование работы однофазных выпрямителей с удвоением напряжения на примере однополупериодной и двухполупериодной схемы. Общие сведения Схемами умножения напряжения называют выпрямительные схемы, выходное напряжение которых в несколько раз больше амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора. В качестве дополнительных источников ЭДС в этих схемах используют конденсаторы, периодически заряжаемые с помощью диодов. Простейшей из схем умножения напряжения является однополупериодная схема удвоения (рис. 14), состоящая из элементов, образующих два однополупериодных выпрямителя. От обычной однополупериодной схемы с емкостной нагрузкой эта схема отличается удвоенным значением выходного напряжения. Основным недостатком схемы является то, что частота пульсации на ней равна частоте питающего напряжения [1, гл. 3, § 3.5.6; 2, гл. 3, § 3.8].

Рис. 14. Однополупериодная схема удвоения

Двухполупериодная схема выпрямления с удвоением напряжения (рис. 15) состоит как бы из двух однополупериодных выпрямителей, соединенных между собой последовательно и работающих на одну общую нагрузку. 21

Рис. 15. Двухполупериодная схема выпрямления с удвоением напряжения

По сравнению с другими схемами двухполупериодного выпрямления основным преимуществом схемы удвоения является возможность получения напряжения в два раза большего, чем в мостовой схеме выпрямления, и в четыре раза большего, чем в двухполупериодной схеме выпрямления при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора. К недостаткам схем удвоения относится значительное выходное сопротивление выпрямителя [1, гл. 3, § 3.5.6; 2, гл. 3, § 3.8]. Порядок выполнения работы 1) Запустить программу Electronics Workbench. 2) Собрать однофазную однополупериодную схему выпрямления с удвоением напряжения при напряжении источника питания трехфазного переменного тока 24 В. Включить и выключить схему. 3) В меню «Analysis» выбрать строку «Analysis Options». В открывшемся окне «Analysis Options» выбрать закладку «Instruments». Удалить галочку в строке «Generate time step automatically». Установить метку в строке «Minimum number of time points» и ввести число 500. 4) При сопротивлении нагрузки R = 10 кОм и C1 = C2 = 10 мкФ с помощью виртуального осциллографа определить период, амплитуду пульсации и среднее значение выпрямленного напряжения на сопротивлении нагрузки и конденсаторе C1. Вычислить частоту пульсаций напряжения на нагрузке и конденсаторе C1. Схему и осциллограммы сохранить для отчета. 5) Собрать однофазную двухполупериодную схему выпрямления с удвоением напряжения при напряжении источника питания трехфазного 22

переменного тока 24 В. Включить и выключить схему. 6) В меню «Analysis» выбрать строку «Analysis Options». В открывшемся окне «Analysis Options» выбрать закладку «Instruments». Удалить галочку в строке «Generate time step automatically». Установить метку в строке «Minimum number of time points» и ввести число 500. 7) При сопротивлении нагрузки R = 10 кОм и C1 = C2 = 10 мкФ с помощью виртуального осциллографа определить период, амплитуду пульсации и среднее значение выпрямленного напряжения на сопротивлении нагрузки R и конденсаторах C1 и C2. Вычислить частоту пульсаций напряжения на сопротивлении нагрузки и конденсаторах C1 и C2. Схему и осциллограммы сохранить для отчета. 8) Сделать выводы на основе полученных результатов. 9) Подготовить отчет о проделанной работе. Отчет должен содержать: − название работы; − цель работы; − сохраненные схемы и осциллограммы напряжений; − расчеты; − выводы; − ответы на контрольные вопросы (устно). Вопросы 1. Каков принцип работы однофазной однополупериодной схемы выпрямления с удвоением напряжения? 2. Каков принцип работы однофазной двухполупериодной схемы выпрямления с удвоением напряжения? 3. Каковы достоинства и недостатки схем выпрямления с удвоением напряжения? 4. Имеет ли место вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора в схемах выпрямления с удвоением напряжения? 5. Имеют ли место пульсации выпрямленного напряжения в схемах выпрямления с удвоением напряжения?

23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ Цель работы: исследование принципов действия стабилизаторов напряжения постоянного тока на примере параметрического и компенсационного стабилизатора. Общие сведения Стабилизатором напряжения называют устройство, с определенной точностью поддерживающее неизменным напряжение на нагрузке при воздействии дестабилизирующих факторов. Одним из простейших полупроводниковых стабилизаторов является параметрический стабилизатор напряжения (рис. 16).

Рис. 16. Параметрический стабилизатор напряжения

Его работа основана на свойствах стабилитрона. В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. Напряжение на стабилитроне изменяется очень незначительно в широком диапазоне изменения тока. Входное напряжение через ограничительный резистор R1 подается на стабилитрон D1 и сопротивление нагрузки R2, включенные параллельно. Поскольку напряжение на стабилитроне D1 меняется незначительно, то и на нагрузке R2 его изменение будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения UВХ практически все изменение напряжения прикладывается к сопротивлению R1, что приводит к увеличению тока I1 в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации IСТ при почти неизменном токе 24

нагрузки IН. Другими словами, все изменение входного напряжения падает на ограничительный резистор. К достоинствам параметрических стабилизаторов относятся простота схемы, низкая стоимость, небольшая масса и габаритные размеры. Однако такие стабилизаторы обладают и рядом существенных недостатков: значительное выходное сопротивление; невозможность получения точного значения выходного напряжения, а также плавной его регулировки [1, гл. 4, § 4.1; 2, гл. 5, § 5.3]. Указанных недостатков лишен компенсационный (транзисторный) стабилизатор напряжения (рис. 17). В схеме такого стабилизатора нагрузка подключена к источнику питания через транзистор, включенный по схеме с общим коллектором и исполняющий роль усилителя мощности. Такая схема используется при малых и средних токах нагрузки. Если параллельно стабилитрону включить переменный резистор, то выходное напряжение можно регулировать [1, гл. 4, § 4.2; 2, гл. 5, § 5.4].

Рис. 17. Компенсационный стабилизатор напряжения

Порядок выполнения работы 1) Запустить программу Electronics Workbench. 2) Собрать схему параметрического стабилизатора напряжения на базе стабилитрона 1N4742A при напряжении источника питания 24 В постоянного тока. Схему стабилизатора сохранить для отчета. Включить и выключить схему. 3) В меню «Analysis» выбрать строку «Analysis Options». В открывшемся окне «Analysis Options» выбрать закладку «Instruments». Удалить галочку в строке «Generate time step automatically». Установить метку в строке «Minimum number of time points» и ввести число 500. 25

4) Установить значение R1 = 80 Ом, R2 = 1 кОм. 5) Изменяя значение входного напряжения стабилизатора от 18 до 28 В шагом 2 В, измерить выходное напряжение стабилизатора, а также ток стабилитрона, ток нагрузки и суммарный ток стабилизатора. Полученные данные занести в таблицу 1. Построить графики зависимости выходного напряжения, тока нагрузки, суммарного тока, тока стабилитрона от входного напряжения. Схему стабилизатора сохранить для отчета. Таблица 1

UВХ, В

U Н, В

IСТ, А

I Н, А

I1, А

6) Установить значение входного напряжения UВХ = 24 В. 7) Устанавливая значения сопротивления нагрузки стабилизатора R2 = 10; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000 Ом, измерить выходное напряжение и суммарный ток стабилизатора, а также ток стабилитрона и ток нагрузки стабилизатора. 8) Полученные данные занести в таблицу 2. Построить графики зависимости выходного напряжения, тока нагрузки, суммарного тока, тока стабилитрона от сопротивления нагрузки. Схему стабилизатора сохранить для отчета. Таблица 2

R2, Ом

U Н, В

IСТ, А

I Н, А

I1, А

9) Собрать схему компенсационного стабилизатора напряжения на базе транзистора 2N2925 и стабилитрона 1N4742A при напряжении источника питания 24 В постоянного тока. Схему стабилизатора сохранить для отчета. Включить и выключить схему. 10) В меню «Analysis» выбрать строку «Analysis Options». В открывшемся окне «Analysis Options» выбрать закладку «Instruments». Удалить галочку в строке «Generate time step automatically». Установить метку в строке «Minimum number of time points» и ввести число 500. 11) Установить значение R1 = 87 Ом, R2 = 50 кОм. Выполнить действия п. 4. 12) Установить значение входного напряжения UВХ = 24 В. 13) Устанавливая сопротивление нагрузки стабилизатора R2 = 5; 10; 100; 500; 1000; 10000; 50000 Ом, измерить выходное напряжение стабилизатора, а также ток стабилитрона, ток нагрузки и суммарный ток стабилизатора. Выполнить действия п. 7. 14) Сделать выводы на основе полученных результатов. 15) Подготовить отчет о проделанной работе. 26

Отчет должен содержать: − название работы; − цель работы; − схемы; − таблицы данных и графики; − выводы; − ответы на контрольные вопросы (устно). Вопросы 1. Что является дестабилизирующими факторами, оказывающими влияние на напряжение питания аппаратуры ЖАТС? 2. Каков принцип действия параметрического стабилизатора напряжения? 3. Каков принцип действия компенсационного стабилизатора напряжения? 4. Каковы достоинства и недостатки параметрического стабилизатора? 5. Каковы достоинства и недостатки компенсационного стабилизатора?

27

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Сапожников Вл.В. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи / Вл.В. Сапожников [и др.]; под. ред. проф. Вл.В. Сапожникова. – М. : Маршрут, 2005. 2. Багуц В.П. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи / В.П. Багуц, Н.П. Ковалев, А.М. Костроминов. – М. : Транспорт, 1991.

28