Систематически изложен лабораторный курс «Источники вторичного электропитания», который охватывает основные типы линейных и импульсных однотактных источников питания. <...> Источник вторичного электропитания — далее блок питания (БП) — устройство, предназначенное для формирования требуемого потребителю (нагрузке) напряжения (при заданном диапазоне токов нагрузки) как при питании его от электрической сети, так и от других источников питания (аккумуляторов, гальванических элементов). <...> Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, подаваемые или на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети), или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). <...> В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, необходимым для передачи эквивалентной мощности. <...> В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферритов (ферромагнитных материалов с высоким удельным сопротивлением), в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь. <...> В импульсных БП стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. <...> Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и нагрузки. <...> Для первичной сети 50 Гц импульсный БП является существенно нелинейной нагрузкой (в отличие от линейных БП). <...> Мостовой выпрямитель с емкостным фильтром Электрическая схема выпрямителя показана на рис. <...> Выходное напряжение мостового выпрямителя с емкостным фильтром быстро подзаряжает его через маленькое сопротивление включенных в прямом направлении диодов <...>
Источники_вторичного_электропитания._Практикум._Учебное_пособие_для_вузов._(1).pdf
УДК 621.38
ББК 32.85
П44
Р е ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Мультисервисных
сетей и информационной безопасности» Поволжского государственного
университета телекоммуникаций и информатики
кандидат техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Сетей связи и систем коммутации»
ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени
Н. П. Огарёва»
Подгорный В. В., Семенов Е. С.
П44 Источники вторичного электропитания. Практикум. Учебное
пособие для вузов. − М.: Горячая линия–Телеком, 2013.− 150 с.,
ил.
ISBN 978-5-9912-0308-1.
Систематически изложен лабораторный курс «Источники вторичного
электропитания», который охватывает основные типы линейных
и импульсных однотактных источников питания. Приведено описание
девяти лабораторных работ. Для каждой работы даны: теоретическое
введение с изложением физического принципа работы изучаемой схемы;
краткий вывод и строгое обоснование основных рабочих формул
с указанием границ их применимости; описание экспериментальной
установки; программа работы и методические рекомендации по обработке
результатов; список контрольных вопросов и рекомендованной
для самостоятельного изучения литературы. Каждая работа сопровождается
подробным теоретическим материалом в форме конспективного
изложения основных разделов лекций, поэтому данное пособие
может быть полезно студентам при подготовке к экзамену по теоретическому
курсу.
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 210400 –
«Телекоммуникации»; 210700 – «Инфокоммуникационные технологии
и системы связи», и может также служить справочным пособием при
изучении курсов специализаций, а также при выполнении курсовых
и дипломных работ.
ББК 32.85
Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru
Подгорный Владимир Викторович, Семенов Евгений Сергеевич
Источники вторичного электропитания
Учебное пособие для вузов
Подписано к печати 15.07.2013. Формат 60×88 1/16. Усл. печ. л. 9,5. Изд. № 130308. Тираж 500 экз. (1-й завод 100 экз.)
ISBN 978-5-9912-0308-1
© В. В. Подгорный, Е. С. Семенов, 2013
© Издательство «Горячая линия–Телеком», 2013
;
В. Г. Карташевск
ий
В. В. Никулин.
Учеб
н
о
е изд
а
ние
Стр.2
Оглавление
Введение. Общие сведения об источниках вторичного
электропитания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Базовые элементы и схемы источников вторичного
электропитания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Преобразование параметров мощности первичной электрической
сети: трансформатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Мостовой выпрямитель с емкостным фильтром . . . . . . . . .
3
7
7
9
1.3. Параметрический стабилизатор на полупроводниковом
стабилитроне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4. Конденсатор как накопитель энергии и его эффективность
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5. Индуктивная катушка: эффективность накопления энергии
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2. Ферромагнитные материалы и изделия в источниках
питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1. Описание намагничивания вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2. Магнитное поле в веществе и вектор H . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3. Основные характеристики ферромагнетиков . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1. Кривая намагничивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2. Магнитная проницаемость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3. Магнитный гистерезис . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.4. Потери энергии при перемагничивании ферромагнетика
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4. Работа индуктивных элементов с ферромагнитным сердечником
в условиях однополярных токов . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5. Магнитные материалы для импульсных источников питания
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.1. Ферриты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.2. Магнитодиэлектрики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6. Измерение параметров динамических петель гистерезиса
с помощью осциллографа (лабораторная работа № 1) . . . 36
2.6.1. Метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.2. Программа измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6.3. Обработка результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6.4. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Стр.148
Оглавление
149
3. Линейные стабилизаторы напряжения и тока . . . . . . . . . 46
3.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2. Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем
тока (лабораторная работа № 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.1. Лабораторная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.2. Программа работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.3. Обработка полученных результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.4. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3. Компенсационный стабилизатор с параллельным регулятором
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3.1. Компенсационный стабилизатор напряжения с параллельным
регулятором (лабораторная работа № 3) . . . . . . . . . . 54
3.3.2. Расчет параметров электрической схемы . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.3. Программа работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.4. Обработка результатов измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.5. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.6. Компенсационный стабилизатор тока с параллельным
регулятором (лабораторная работа № 4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.7. Расчет параметров электрической схемы стабилизатора
тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.8. Эффективность стабилизатора тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3.9. Программа работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.10. Обработка результатов измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.11. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4. Компенсационный стабилизатор напряжения с последовательным
регулятором (лабораторная работа № 5) . . . . . . . 73
3.4.1. Принцип работы и описание схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4.2. Коэффициент стабилизации напряжения . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.3. Энергетическая эффективность схемы стабилизатора
напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.4. Предельные характеристики стабилизатора напряжения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4.5. Нахождение предельной ВАХ стабилизатора напряжения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.6. Описание лабораторной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.7. Программа работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.8. Обработка полученных результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.9. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4. Однотактные импульсные источники питания . . . . . . . . 85
4.1. Чопперная схема и её расчет (лабораторная работа № 6) 88
4.1.1. Сглаживание пульсаций тока нагрузки . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.1.2. Экспериментальная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Стр.149
150
Оглавление
4.1.3. Программа измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1.4. Обработка полученных результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.1.5. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2. Бустерная схема и её расчет (лабораторная работа № 7) . 97
4.2.1. Экспериментальная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.2. Программа работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.3. Обработка полученных результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2.4. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3. Обратноходовой (Flyback) преобразователь и его расчет
(лабораторная работа № 8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.1. Экспериментальная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.2. Программа работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.3. Обработка полученных результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3.4. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5. Генераторы мощных импульсов тока и напряжения . . 117
5.1. Генератор импульсного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2. Генератор импульсного напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.1. Исследование модели ГИН (лабораторная работа № 9) 121
5.2.2. Моделирование разряда индуктивного накопителя . . . 121
5.2.2.1. Алгоритм определения неизвестных параметров R
и C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.2.2. Передача энергии ИНЭ в активную нагрузку . . . . . 124
5.2.2.3. Максимальная мощность, передаваемая в нагрузку 127
5.2.2.4. Эффективность передачи энергии в активную нагрузку
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2.3. Экспериментальная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.2.4. Вольт-амперная характеристика ключа . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2.5. Измерение параметров импульсов с помощью осциллографа
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.2.6. Емкостной делитель напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.2.7. Исследование экспериментальной модели ГИН. . . . . . . . 135
5.2.7.1. Программа измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.7.2. Обработка результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.2.7.3. Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Приложение. Реализация основных однотактных схем
DC-DC преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Стр.150