Методы проверки источников питания и стабилизаторов

August 31, 2013 by admin Комментировать »

В данном разделе приводятся основные методы проверки, применяемые для всех типов источников питания и стабилизаторов, как совсем простые, так и более сложные. Если схема благополучно прошла все тесты, описанные в книге, значит, она полностью пригодна для применения. Если результаты проверки не соответствуют стандартным требованиям, то они могут послужить основой для определения причин неисправности.

Методика тестирования

Главная функция любого автономного источника питания — преобразование переменного тока в постоянный. В преобразователях постоянного тока он преобразуется в аналогичный, Но с другим напряжением (как правило, большим, но иногда и меньшим). Работоспособность источника питания проверяется измерением выходного напряжения. Естественно, для более детальной проверки источника питания оно должно измеряться с нагрузкой, без нагрузки, а также с частичной нагрузкой.

Если выходное напряжение источника питания при полной нагрузке соответствует указанному в паспорте, то его основная функция выполняется. Однако, как показывает опыт, полезно дополнительно проверить коэффициент стабилизации

напряжения источника питания, внутреннее сопротивление и амплитуду пульсаций выходного напряжения.

Проверка выходного напряжения

На рис. 7.1 приведена принципиальная схема проверки источника питания. Схема предусматривает проверку источника питания без нагрузки, с половинной нагрузкой и полной нагрузкой (в зависимости от положения переключателя Sl). Когда переключатель Sl находится в положении 1, нагрузка к выходу источника питания не подключена. В положениях 2 и 3 подключается нагрузка, равная соответственно половине и полному номинальному значению нагрузки источника питания.

Рис. 7.1. Базовая схема проверки истачника питания

Для расчета величины сопротивления нагрузки R1 или R2, которая определяется выходным напряжением E и максимальным (либо половинным) значением тока нагрузки I, необходимо воспользоваться законом Ома: R – E / I. Например, если источник питания рассчитан на выходное напряжение 5 В и ток 500 мА (0,5 А), то величина R2 = 5 / 0,5 = 10 Ом (полная номинальная нагрузка). Для нагрузки, равной половине номинальной, R1 = 5 / 0,25 = 20 Ом.

Если необходимо проверить несколько источников питания, целесообразно иметь переменную нагрузку, значение которой выбирается исходя из условий проверки источника питания; величина сопротивления нагрузки заранее измеряется омметром. Резисторы не должны иметь индуктивной составляющей полного сопротивления (нельзя использовать проволочные резисторы) и должны обладать достаточной мощностью рассеяния, чтобы не перегреваться. Так, если использовать значения Rl и R2 из предыдущего примера, выделяющаяся на резисторе R1 мощность составит 5 x 0,5 = 2,5 Вт (то есть следует использовать резистор с мощностью рассеяния не менее 5 Вт), а для R2 мощность рассеяния составит 5 x 0,25 – 1,25 Вт (необходим резистор с мощностью рассеяния 2 Вт).

Для проведения проверки требуется:

1.Выполнить соединения в соответствии со схемой на рис. 7.1.

2.Установить необходимые значения сопротивлений Rl и R2.

3. Включить источник питания. Установить правильную величину входного напряжения, используя его промежуточное значение (если не оговорено обратное). Например, входное напряжение для обычного импульсного стабилизатора питания составляет 4-20 В. Для проверки нагрузочных характеристик и линейности стабилизации следует использовать входные напряжения 5,8—15 В. При проверке преобразователей постоянного тока требуется автономный регулируемый источник входного напряжения. (Пример такого источника приведен на рис. 7.2.) Для источников питания, выполненных в виде автономных блоков, необходимое значение входного напряжения можно установить с помощью регулируемого автотрансформатора. При выполнении ряда тестов в качестве источника можно использовать девятивольтовую батарею для задания напряжения примерно в середине нужного диапазона.

4. Измерить выходное напряжение при каждом положении переключателя S1.

5. Затем, используя закон Ома, нужно рассчитать токи для положений 2 и 3 переключателя S1. Например, если R1 = 20 Ом, а вольтметр зафиксировал выходное напряжение 4,8 В в положении 2 переключателя S1, ток нагрузки составит 4,8 / 20 = 0,24 А, или 240 мА. Если выходное напряжение источника питания равно 5 В в положении 1 и снижается до 4,8 В в положении 2 переключателя, значит, источник питания не поддерживает номинального напряжения при полной нагрузке. Снижение выходного напряжения под нагрузкой означает либо неудачное проектирование разводки (для экспериментальных источников питания), либо неисправность отдельных элементов (рассмотрено в разделе поиска неисправностей).

Изменение выход ной нагрузки

Изменение напряжения или тока стабилизированного источника питания при изменении нагрузки (иногда называемое эффектом влияния нагрузки или выходной нестабильности) обычно выражается в процентах и определяется так:

Следует отметить, что значения выходной нестабильности, как правило, не очень хороши (то есть имеют высокое процентное значение), когда велико собственное внутреннее сопротивление источника питания.

Рис. 7.2. Регулируемый автономный источник питания

Примечание к рис. Въисодное напряжение регулируется от 3,5 до 20 В, выходной токменяется от нуля до 90мА. Выходная нестабильностьраена 02% (по нагрузке и по питанию от сети). Уровень пульсаций при полной нагрузке не превышает 0,5 мВ. T1 – трансформатор STANC0R-TP3.

Нестабильность выходного напряжения, вызываемая нестабильностью сетевого питания

Нестабильность выходного напряжения из-за изменения напряжения сетевого питания (также известного в качестве эффекта сети, входной нестабильности, эффекта источника) обычно выражается в процентах изменения выходного напряжения и представляет максимально допустимое выходное напряжение (на данную нагрузку) при максимальном изменении входного напряжения. Например, источник питания спроектирован для работы от сети переменного тока с напряжением 110-120 В, при этом выходное постоянное напряжение должно быть равно 100 В. При первом измерении выходное напряжение на входе источника было равно 120 В, а при втором – 110 В. Если при двух измерениях нет никакой разницы в выходном напряжении, то его стабильность по входному напряжению идеальна (и, скорее всего, нереальна). Если же выходное напряжение изменилось на 1 В, то по отношению к 100 В изменение составило 1%. Действительное значение нестабильности по входному напряжению источника питания должно определяться при полной, половинной или иной, требуемой техническими условиями, величине нагрузки. Разумеется, входное напряжение нужно изменять стабилизатором или отдельным источником постоянного тока от минимального до максимально возможного и измерять прибором с высоким классом точности.

Внутреннее сопротивление источника питания

Внутреннее сопротивление источника питания определяется следующим соотношением:

Предпочтительно минимальное значение внутреннего сопротивления, так как оно указывает на минимальное изменение выходного напряжения при изменении нагрузки. Выполнение измерений производится в следующем порядке:

1. Собрать схему в соответствии с рис. 7.1.

2. Установить необходимое по условиям проверки значение сопротивления R2.

3. Включить напряжение питания. Измерить значение выходного напряжения в положениях 1 (без нагрузки) и 3 (полная нагрузка) переключателя S1.

4. Рассчитать действительное значение тока в положении 3. Например, если сопротивление R2 составляет 10 Ом, а выходное напряжение в положении 3 переключателя S1 – 4,999 В (как и в предыдущем примере), то значение тока равно:

Используя полученные значения выходного напряжения без нагрузки и с полной нагрузкой и значение тока нагрузки, можно определить внутреннее сопротивление источника Так, если выходное напряжение без нагрузки равно 5 В, напряжение с полной нагрузкой – 4,999 В и ток – 0,499 А, то внутреннее сопротивление составит.

кпд

Коэффициент полезного действия обычно определяется в процентах и представляет собой отношение выходной мощности источника питания к входной (умноженное на 100 для выражения результата в процентах). Хотя расчеты очень просты, есть некоторые сложности в определении входного тока и измерении входного напряжения. При отсутствии амперметра для измерения входного тока необходимо использовать резистор, подключенный последовательно к входу источника питания. Затем следует измерить падение напряжения на этом резисторе (в вольтах) и рассчитать ток по закону Ома (I – E / R). При использовании резистора сопротивлением 1 Ом величина тока будет выражена в амперах, а сопротивлением 1000 Ом – в миллиамперах. Хотя в установившемся режиме входной ток большинства импульсных стабилизаторов на интегральных микросхемах невелик, начальный бросок тока при включении может оказаться достаточно большим.

Если предположить, что выходное напряжение с полной нагрузкой равно 4,999 В при токе нагрузки 15 мА, а входное напряжение – 4,5 В с входным током 20 мА, то входная потребляемая мощность составит 90 мВт (4,5 X 0,02), а выходная

мощность – 75 мВт. Таким образом, КПД составит 83% (75 / 90). Такое значение типично для большинства схем импульсных стабилизаторов с батарейным питанием.

Пульсации выход ного напряжения

В любых источниках питания независимо от качества стабилизации или фильтрации всегда присутствуют пульсации. Импульсные источники с батарейным питанием также имеют небольшую переменную составляющую выходного напряжения. Пульсации (независимо от их происхождения) можно измерить осциллографом или измерительным прибором. Обычно коэффициент, отражающий величину пульсации, вычисляется как отношение между величинами пульсации и полного выходного напряжения. Например, если пульсации составляют 0,03 В а выходного напряжения – 5 В, то это отношение будет равно 0,03 / 5 = 0,006 (или 0,006 x ЮО – 0,6%).

Методика выполнения измерений следующая:

1. Собрать схему в соответствии с рис. 7.1.

2. Установить необходимое по условиям проверки значение сопротивления R2. Измерение пульсаций обычно производится при полной (100%) нагрузке.

3. Подать напряжение. Измерить значение выходного постоянного напряжения в положении 3 (полная нагрузка) переключателя S1.

4. Установить переключатель измерительного прибора в положение измерения переменного тока. Любые показания прибора в этих условиях характеризуют напряжение пульсаций.

5. Найти значение коэффициента пульсаций (в процентах). Оно равно отношению двух напряжений (переменного напряжения пульсаций и постоянного выходного).

6. Существенной проблемой при оценке величины пульсации с помощью измерительного прибора может оказаться отличие формы пульсирующего сигнала от синусоидальной, так как большинство приборов отградуировано на измерение именно синусоидального сигнала. Поэтому более надежный способ измерения пульсаций – применение осциллографа (см. рис. 7.3), посредством которого можно определить амплитуду пиков.

7. Необходимо настроить развертку осциллографа для получения на экране одного или двух периодов напряжения пульсации. Следует помнить, что при двухполупериодном выпрямлении образуется два «горба» за период, а одно- полупериодное выпрямление дает один «горб».

Исследование формы пульсирующего сигнала в описанных ниже случаях помогает определить источник пульсаций в схеме источника питания:

о npu несбалансированности нагрузки плеч выпрямителя (через один выпрямительный диод протекает больший ток, чем через другой) пульсации не равны по амплитуде;

о если в источнике большой уровень шума или флуктуаций (особенно при использовании стабилитронов), пульсации непостоянны по амплитуде и форме;

о если изменяется частота пульсаций, то частота источника переменного тока непостоянна (в импульсных источниках питания частота переключения варьируется);

о если на въиходе двухполупериодного выпрямителя наблюдается однополупери- одное выпрямление, то один из выпрямительных диодов не проводит ток.

Рис. 7.3. Схема соединений для проверки параметров источников питания

Детальная проверка

Основных методов проверки, описанных выше, вполне достаточно для большинства случаев, встречающихся в любительской практике, хотя для проверки оборудования промышленного и исследовательского предназначения существует множество других способов.

На рис. 7.3 приведена схема соединений для проверки пяти наиболее важных параметров (рабочих характеристик) источника питания: влияния внешнего питания, нагрузки; гармонических и случайных искажений (ГИСИ), дрейфа и температурных коэффициентов. Помимо перечисленных существует ряд дополнительных измерений, в частности шумы и время переходных характеристик. Однако для этих целей необходимо сложное оснащение, особенно при проверках экспериментального или промышленного оборудования. Для более детального изучения методов проверки и измерений характеристик источников питания можно рекомендовать книгу J. Lenk, «Complete Guide to Electronic Power Supplies», 1990, Prentice-Hall.

Оборудованиедля выполнения измерений

Для выполнения тестовых измерений, описанных в этом разделе, понадобятся четыре прибора: регулируемый автотрансформатор, дифференциальный или цифровой вольтметр переменного тока, обычный вольтметр переменного тока и осциллограф.

Естественно, для проверки источников, работающих от батареи, нужен регулируемый источник постоянного тока (см. рис. 7.2).

Использование отдельного источника питания, возможно, приведет к определенным проблемам. Наличие в нем пульсаций или флуктуаций напряжения может повлиять на проверяемый источник питания и исказить результаты проверки. Эта ситуация легко исправляется заменой внешнего источника питания батареей с тем же напряжением. Если пульсации или другие флуктуации сохраняются, то неисправен проверяемый источник питания.

Необходимо убедиться, что автотрансформатор или регулируемый источник постоянного напряжения (для проверяемых источников с батарейным питанием) рассчитан на достаточную нагрузку по току. В противном случае напряжение, поступающее от него на вход проверяемого источника, может иметь значительные искажения, вследствие чего условия (и результаты) работы цепей выпрямления или стабилизации будут сильно отличаться от номинальных.

Точность измерения вольтметра постоянного тока должна быть до 1 мВ или выше, чувствительность осциллографа – не менее 100 мкВ/см, а ширина полосы пропускания – не менее 10 МГц. Желательно, чтобы и осциллограф, и вольтметр имели приспособление для измерения тока (типа токового шунта, предпочтительно с зажимами), поскольку в импульсных источниках форма тока на экране осциллографа часто помогает определить причину неисправности (как будет показано ниже). В цепях импульсных источников также могут оказаться полезными неэлектронные типы комбинированных приборов (ампервольтомметров), например классические Simpson 260 или Tripplet 630, поскольку цифровые и другие электронные устройства зачастую подвержены влиянию импульсных сигналов, генерируемых в проверяемых схемах.

Правильность подключения

Для получения правильных результатов все соединениядолжны быть постоянными и надежными (не рекомендуется использовать зажимы типа «крокодил» и т.п.), причем их следует выполнять к определенным местам источника. Использование проводов с зажимами на концах, как правило, приводит к ошибкам в измерениях. В этом случае к результатам измерений добавляется переходное сопротивление в точке контакта зажима. Применение зажимов даже для подключения нагрузки может вызвать погрешности измерений.

Подключение отдельными проводами

Каждый измерительный прибор должен подключаться к точкам измерения отдельной парой проводов (см. рис. 7.3). Такое подключение позволяет избежать воздействия едва уловимых эффектов взаимного влияния, которые могут проявиться между измерительными приборами (если только все их провода с нулевым потенциалом не подключены к выводу с низким импедансом на источнике питания). Для исключения влияния наводок необходимо использовать витую пару проводов или экранированный кабель.

Сопротивление нагрузки

Сопротивление нагрузки должно соответствовать возможностям источника и условиям проверки. Правильно подобранное сопротивление нагрузки обеспечивает проверку работы источника при максимально допустимых значениях выходного напряжения и тока нагрузки.

Помехи и наводки, влияние паразитных связей с «землей»

Необходимо тщательно проверять подключение всех соединений, чтобы избежать возможного влияния наводок и/или проблем из-за паразитных связей с «землей» (заземления в нескольких точках, особенно неверно выбранных). Простейший способ проверки – отключить источник и с помощью осциллографа убедиться в наличии или отсутствии нежелательных сигналов (особенно в диапазоне частот сетевого питания 50/60 Гц). При этом провода осциллографа должны быть подключены к выходным контактам источника Затем следует подключить оба провода осциллографа к тому выводу (+ или —), который соединен с «землей», либо к общей точке. Если при этих измерениях с отключенным источником наблюдаются шумы, то, скорее всего, причина заключается в перекрестных помехах или эффекте влияния паразитной связи с «землей».

Подключение вольтметра переменного тока

Вольтметр переменного тока должен быть подключен как можно ближе к входным клеммам источника питания. В этом случае измеряемая величина представляет собой напряжение непосредственно на входе проверяемого источника без возможных погрешностей из-за падения напряжения в проводах, которыми источник питания подключается к сети. То же самое относится и к измерениям, выполняемым на входе батарейного источника. То есть необходимо проводить измерения постоянного входного напряжения на входных зажимах проверяемого источника, а не на выходных клеммах регулируемого стабилизатора или батарей.

Сетевые стабилизаторы

При проверке источников питания или при их эксплуатации нельзя использовать сетевые стабилизаторы, если только этот момент специально не оговорен для данного типа источника питания. Данное предостережение особенно важно при работе с импульсными источниками питания и стабилизаторами постоянного напряжения. Сетевой стабилизатор может внести существенные искажения в форму выходного сигнала импульсного источника и тем самым – постоянную погрешность в выходное напряжение.

Влияние источника питания

Этот способ заключается в том, что измерения выходного напряжения проводят- сЯ при изменении входного в оговоренном диапазоне от нижнего предела до верхнего. Проверка выполняется при неизменных значениях остальных параметров. Они должны соответствовать техническим характеристикам для любого диапазона изменений выходного напряжения, указанного в паспорте, при заданных для

проверки значениях выходного тока. Предельные значения параметров при так: проверках — это, как правило, максимальное выходное напряжение и максима, cw- ный ток нагрузки.

Влияние нагрузки

Эти измерения выполняются при замыкании и размыкании переключателя S1 (рис. 7.3) с регистрацией изменений выходного напряжения. Проверка производится при неизменных значениях остальных параметров, которые должны соответствовать техническим характеристикам для любого нормированного выходного напряжения при заданных значениях входного. Предельные значения параметров пр таких проверках – это, как правило, максимальное выходное напряжение и максимальный ток нагрузки.

Шумы и пульсации

Во многих случаях термин «периодические и случайные отклонения» замени термин «шумы и пульсации». Данный параметр представляет собой отклонени выходного напряжения постоянного тока от среднего значения (в пределах определенной полосы пропускания частот) при неизменности всех остальных параметров.

Например, для лабораторных источников питания фирмы Hewlett Packard этот параметр измеряется в значениях среднего квадратического или двойного амплитудного (от пика до пика) напряжения при ширине полосы пропускания от 2 Г до 2 МГц. Флуктуации в диапазоне частот ниже 20 Гц рассматриваются как дрей^ Измерения «от пика до пика» имеют особую практическую ценность в тех случаях, когда шумовые выбросы могут нанести особый вред (например, в цифровых логических схемах). Измерение среднего квадратического значения неэффективно в случае шумов, так как выходные шумовые выбросы могут проявляться в кратковременных пульсациях; при этом величина среднего квадратического значения увеличивается незначительно. Во время проверок периодических и случайных отклонений или уровня шума и пульсаций всегда используйте витую пару проводов (для однолучевого осциллографа) либо двухпроводной экранированный кабель (для дифференциального осциллографа).

Дрейф

При измерении дрейфа наблюдают за величиной выходного напряжения источника питания с помощью дифференциального или цифрового вольтметра на протяжении фиксированного длительного промежутка времени (как правило, восемь часов после 30-минутного предварительного прогрева). В ряде случаев используются регистрирующие самопишущие приборы с непрерывной записью измерений. При проведении испытаний рядом с источником питания необходимо поместить термометр для подтверждения неизменности температуры окружающей среды. Испытываемый прибор должен находиться в защищенном от конвекционных потоков воздуха месте (вдали от открьггых дверей, окон или вентиляционных отверстий системы кондиционирования воздуха). По возможности его лучше поместить в термостат и поддерживать заданную температуру. Следует помнить, что у стабилизированного источника питания с хорошими характеристиками наибольший дрейф выходного напряжения проявляется в течение первых 30 минут прогрева.

Температурный коэффициент

Температурный коэффициент измеряют, помещая испытываемый источник питания в термостат и изменяя температуру в заданных пределах (с предварительным прогревом на каждой фиксированной точке в течение 30 мин). Если нет других указаний, то температурный коэффициент определяется как величина изменения выходного напряжения источника питания при изменении температуры на 5 °С. Измерительный прибор следует размещать вне термостата, и он должен иметь высокие характеристики как по термостабильности, так и по стабильности в непрерывном режиме работы, гарантирующие, что дрейф показаний вольтметра не повлияет на точность проводимых измерений.

Источник: Ленк Д., 500 практических схем на популярных ИС: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, – 44 с.: ил. (Серия «Учебник»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты