2. Краткие теоретические сведения.

2.1. Качество работы электронных устройств во многом определяется постоянством питающих их напряжения и тока. Основными причинами изменения напряжения (тока) питания являются непостоянство напряжения первичного источника питания, сопротивления нагрузки, температура окружающей среды.

Напряжение промышленных сетей переменного тока в соответствии с ГОСТ 5237 – 69 может отклоняться от номинального значения в пределах (-15%; +5%). Для нормального функционирования устройств связи изменения напряжения (тока) электропитания не должны превышать (5 – 0,1)% номинального значения. Требования к постоянству питающего напряжения (тока) зависят от конкретного назначения устройств связи.

Поддержание напряжения (или тока) на выходе электропитающих установок с заданной степенью точности при действии различных дестабилизирующих факторов осуществляется с помощью специальных устройств – стабилизаторов напряжения (или тока).

Стабилизаторы автоматически подавляют как медленные, так и быстрые изменения питающего напряжения (тока) и осуществляют таким образом наряду со стабилизацией сглаживание напряжения (тока).

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими отклонение напряжения на выходе стабилизаторов напряжения от номинального значения при постоянстве температуры окружающей среды являются изменения величины входного напряжения или тока нагрузки. Поэтому напряжение на входе стабилизатора можно трактовать как функцию входного напряжения и тока нагрузки , т.е.

. (1)

Полный дифференциал этой функции в предположении независимости переменных и записывается в виде

. (2)

Разделив обе части равенства (2) на , а также умножив первое слагаемое правой части на / , а второе слагаемое на / _, получим

. (3)

Если положить =const, т.е. =0, то, пользуясь последним соотношением, можно относительное приращение напряжения на выходе стабилизатора выразить через относительное при­ращение напряжения на входе в виде

, (4)

где

при . (5)

Коэффициент показывает, во сколько раз при неизмен­ном токе нагрузки напряжение на выходе стабилизато­ра изменяется меньше, чем на входе. Чем больше величина , тем качество стабилизатора напряжения выше.

Так как величина связывает относительные изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора при постоянном токе наг­рузки, то эту характеристику называют коэффициентом стабилизации стабилизатора напряжения по входному напряжению при .

Если в соотношении (3) считать постоянным входное напряжение ( ), то из этого соотношения получается

, (6)

где

; , (7)

, (8)

- внутреннее сопротивление стабилизатора напряжения; - сопротивление нагрузки.

Как видно, отношение внутреннего сопротивления стабилизатора напряжения к сопротивлению его нагрузки определяет, во сколько раз относительное изменение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного изменения тока нагрузки при постоянном входном напряжении . Чем меньше это отношение, тем меньше влияет изменение тока нагрузки на вели­чину выходного напряжения.

Таким образом, коэффициент стабилизации и внут­реннее (выходное) сопротивление являются основными показателями качества работы стабилизатора напряжения.

В рассмотренных соотношениях, определяющих и , фигурируют бесконечно малые приращения напряжения и тока. Пользуясь линейным приближением зависимости , величи­ны и на практике можно определять через конечные приращения , и по формулам:

при (9)

и

при . (10)

В последнем соотношении применен знак модуля, поскольку приращения и имеют противоположные знаки.

Качество работы стабилизатора напряжения иногда характеризуют величиной относительной нестабильности его выходного напряжения (статической ошибки), равной отношению максимально возможного приращения выходного напряжения к номинальному значению напряжения . Величина определяется в процентах:

, [%]. (11)

Для стабилизаторов тока ток нагрузки можно рассматривать как функцию входного напряжения и сопротивления нагрузки :

Записав полный дифференциал этой функции и, проделав действия, подобные выполненным выше, для стабилизатора напряжения, можно определить следующие основные характеристики:

при . (12)

- коэффициент стабилизации стабилизаторов тока по входному напряжению при постоянном сопротивлении нагрузки;

, при . (13)

- внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора тока.

При этом оказывается, что

, . (14)

Последнее выражение показывает, что относительное изменение тока нагрузки при неизменном напряжении питания во сколько раз меньше относительного изменения сопротивления нагрузки , во сколько сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления стабилизатора тока.

Таким образом, чем больше при заданном сопротивлении нагрузки, тем выше качество стабилизации тока (сравните со случаем стабилизации напряжения!).

Коэффициент стабилизации при и внутреннее (выходное) сопротивление при являются основными показателями качества работы стабилизатора тока. Важной характеристикой стабилизаторов напряжения и тока является их коэффициент полезного действия

, (15)

где

- мощность, отдаваемая в нагрузку;

- мощность, рассеиваемая в элементах стабилизатора, т.е. мощность потерь электрической энергии, являющаяся “платой” за достигаемое улучшение его качества.

Помимо рассмотренных характеристик для оценки работы стабилизаторов напряжения и тока могут использоваться и некоторые другие показатель качества. К таким показателям относятся:

- коэффициент сглаживания _~ пульсации с частотами в пределах от и , который для стабилизатора постоянного напряжения определяется по формуле

_{~ ,} (16)

где

и - действующие значения (или амплитуды первых гармонических составляющих) пульсации напряжения на входе и выходе стабилизатора;

- температурный коэффициент мВ/°С стабилизатора, который для стабилизатора напряжения равен

, при ; , (17)

где

- изменение температуры окружающей среды, вызвавшее изменение выходного напряжения.

Как и для любого другого электротехнического устройства, важными качествами стабилизаторов тока (напряжения) являются их масса, габариты, стоимость, надежность, простота изготовления, настройки и эксплуатации, электромагнитная совместимость с питаемыми устройствами.

Каждый стабилизатор характеризуется также параметрами режима эксплуатации. Так, например, для стабилизатора напряжения такими параметрами могут служить:

- диапазон возможного регулирования выходного напряжения ,

- максимально допустимый ток нагрузки ;

- диапазон допустимых изменений входного напряжения .

Существуют два основных способа стабилизации напряжения или тока электропитания: параметрический и компенсационный.

2.2. Работа параметрических стабилизаторов напряжения (тока) основана на использовании элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой (рисунок 2.1.). Элемент с вольтамперной характеристикой (ВАХ), показанной на рисунок 2.1., а, обеспечивает малое изменение напряжения на своих зажимах при значительном изменении протекающего по нему тока. Такой элемент может быть использован для стабилизации напряжения на параллельно включенном с ним сопротивлении нагрузки (рисунок 2.2.). Для элемента с ВАХ, приведенной на рисунок 2.1., б, характерно незначительное изменение величины тока, протекающего через элемент, при изменении напряжения на элементе в широких пределах . Такой элемент, например, так называемый бареттер можно использовать для стабилизации тока в последовательно соединенном с ним сопротивлении нагрузки.

2.3. Компенсационные стабилизаторы напряжения и тока по принципу работы подразделяются на два основных типа: непрерывного и ключевого действия.

Стабилизаторы напряжения непрерывного действия (рисунок 2.3.), исследуемые в данной лабораторной работе, представляют собой линейные системы непрерывного автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Основными их функциональными узлами являются: регулирующий элемент (РЭ), с помощью которого уровень выходного напряжения поддерживается неизменным; схема сравнения и усиления постоянного тока (ССиУПТ); источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН). В рабочем режиме выходное напряжение стабилизатора или часть его сравнивается с напряжением опорного источника. Сигнал рассогласования, полученный в результате сравнения, усиливается УПТ и подается на РЭ. В зависимости от уровня усиливаемого сигнала рассогласования внутреннее сопротивление РЭ меняется таким образом, что напряжение на выходе стабилизатора остается постоянным с определенной степенью точности.

По способу включения РЭ, по отношению к сопротивлению нагрузки и источнику входного напряжения стабилизаторы подразделяются на последовательные (рисунок 2.3.,а) и параллельного (рисунок 2.3.,б). В параллельных стабилизаторах к упомянутым функциональным узлам добавляется балластное сопротивление .

На практике наиболее широкое распространение получили стабилизаторы с последовательным РЭ, как обладающие высокими стабилизирующими свойствами и сравнительно высоким КПД (до 70%). В таких стабилизаторах регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой и к нему приложено напряжение, равное разности входного и выходного напряжений (рисунок 2.4.). При коротком замыкании нагрузки все напряжение источника прикладывается к регулирующему элементу и на нем выделяется максимальная мощность. При холостом ходе регулирующий элемент работает при малых токах, что без принятия специальных мер приводит к повышению выходного напряжения. Поэтому в стабилизаторах с последовательным включением РЭ необходима защита по току и напряжению.

Обозначения на схеме:

VD1 и R3 – источник опорного напряжения (ИОН); К140УД7 – устройство сравнения и усиления сигнала рассогласования; VT1 и VT2 – регулирующее устройство; R4, R5 и R6 - делитель напряжения.

Основное отличие схемы компенсационного стабилизатора тока от компенсационного стабилизатора напряжения состоит в том, что измеряемое выходное напряжение снимается с измерительного резистора R4, включенного последовательно с нагрузкой.

Ключевые (импульсные) стабилизаторы напряжения (КСН) представляют собой дискретную систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Среднее значение напряжения на выходе таких устройств поддерживается постоянным за счет автоматического изменения времени закрытого и открытого состояния регулирующего элемента.

В отличие от стабилизаторов с непрерывным регулированием импульсные стабилизаторы напряжения обладают более высоким КПД и лучшими удельными характеристиками по массе и объему. Однако импульсные стабилизаторы имеют высокий уровень пульсаций, акустических шумов и радиопомех, худшие динамические характеристики.

2.4. Однокаскадная схема параметрического стабилизатора напряжения параллельного типа.

Простейшие схемы стабилизации напряжения без использования усилительных приборов позволяют осуществить полупроводниковые опорные диоды (стабилизаторы) (рисунок 2.2).

Эта схема соответствует структуре параллельных стабилизаторов, хотя регулирующий и усилительные элементы отсутствуют, а диод VD совмещает функции опорного и регулирующего элементов. Диод подбирают по величине выходного напряжения , ток диода задается резистором и для стабилитронов типа Д808-Д814 выбирается в пределах 5-30 мА.

Принцип работы стабилизатора заключается в том, что при включении стабилизатора в обратном направлении (рисунок 2.2.) при определенных напряжениях начинается электрический пробой, характеризуемый тем, что в области пробоя при данной температуре изменение тока в определенных пределах практически не меняет напряжения пробоя, (рисунок 2.5.).

Если в режиме ограничить при помощи резистора ток пробоя таким образом, чтобы мощность, выделяемая в диоде, не превосходила заданный предел, дальше которого начинается тепловой пробой и необратимое разрушение p-n перехода, то состояние пробоя может продолжаться бесконечно долго (десятки тысяч часов). Указанный процесс является обратимым и может повторяться множество раз при выключении и включении диода. Область электрического пробоя опорных диодов используется для стабилизации напряжения, которое зависит от тока пробоя и температуры.

2.5. Двухкаскадный параметрический термокомпенсированный стабилизатор напряжения.

Диодным однокаскадным стабилизаторам свойственны сравнительно большие относительные нестабильности (11), как следствие сравнительно больших сопротивлений ( ≈ диода) и малых коэффициентов стабилизации. Простой способ повысить коэффициент стабилизации при прочих равных условиях состоит в использовании каскадных схем (рисунок 2.6.). Идея таких схем очевидна, поскольку входное напряжение второго каскада стабилизировано первым каскадом.

Второй каскад стабилизатора (рисунок 2.6.) собран на опорных диодах VD11-VD14 и представляет собой гермокомпенсированный каскад.

Известно, что для стабилитрона, как и для всякого полупроводникового прибора, характерна зависимость параметров от температуры окружающей среды, с изменением которой сдвигается вольтамперная характеристика стабилитрона, что приводит к изменению величины падения напряжения на диоде. Эти изменения напряжения оцениваются температурным коэффициентом напряжения (17).

При включении стабилитронов типа Д808-Д814 в обратном направлении (режим стабилизации) ТКН положителен и составляет (0.007 – 0.095)%/°C, при включении диодов в прямом направлении ТКН – отрицателен и составляет (0.025 – 0.03)%/°C. Поэтому для компенсации падения напряжения на стабилитроне Д808 от изменения температуры окружающей среды включено три таких же прибора в прямом направлении Диодные стабилизаторы напряжения используются главным образом в качестве источников опорного напряжения для более мощных – транзисторных стабилизаторов напряжения и тока или в качестве источника питания для слаботочных схем, например, цепей смещения.

2.6.Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа.

Однокаскадный компенсационный стабилизатор напряжения на транзисторе не имеет преимуществ перед диодным. В сущности эта схема является эмиттерным повторителем, у которого потенциал базы стабилизирован опорным диодом и равен , а напряжение коллекторного питания меняется в определенных пределах.

Схема полупроводникового стабилизатора напряжения (рисунок 2.7.) относится к последовательному типу, так как его регулирующий элемент (составной транзистор Т3, Т4) включен последовательно с сопротивлением нагрузки . Схема стабилизатора составляет основу лабораторного макета и несколько видоизменена, ее элементы выполняют следующие функции.

Триоды VТ3 и VТ4 образуют составной регулирующий триод (РТ), который характерен большим значением , в данном случае , что значительно уменьшает выходное сопротивление стабилизатора, а коэффициент стабилизации увеличивается в раза. Транзисторы VТ1 и VТ2 – усилители постоянного тока (УПТ), кроме того транзистор VТ2 выполняет функции схемы сравнения, VD11-VD14 – термокомпенсированный источник опорного напряжения, одновременно служащий в качестве дополнительного источника питания первых двух каскадов (VТ1,VТ2). Резисторы R1 и R2 ограничивают токи предварительного стабилизатора VD10 и источника опорного напряжения. Резисторы и задают начальные рабочие точки соответствующих триодов; задает ток измерительного делителя, причем переменное сопротивление подключается как делитель напряжения, а – как делитель тока и определяют уровень стабилизации выходного напряжения (тока). Конденсатор обеспечивает устойчивую работу схемы, ибо многокаскадные стабилизаторы с усилителями в цепи отрицательной обратной связи склонны к самовозбуждению.

Рассмотрим принцип работы схемы (рисунок 2.7.). Данный стабилизатор может быть представлен как регулируемый делитель напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление участка коллектор-эмиттер регулируемого триода (нижнее плечо) и сопротивление нагрузки (верхнее плечо).

Внешнее сопротивление нагрузки последовательно подключено к суммарному сопротивлению измерительного делителя цепи обратной связи . (Необходимо различать регулируемый и измерительный делитель напряжения).

На рассматриваемый регулируемый делитель подается напряжение . Сопротивление нижнего плеча делителя зависит от тока базы и напряжения базы регулируемого транзистора, которые, в свою очередь, зависят от тока коллекторов транзисторов УПТ. Верхнее плечо регулируемого делителя может меняться при изменении внешнего сопротивления нагрузки .

Стабилизатор должен постоянным (с заданной точностью) напряжение независимо от изменения , и . Это осуществляется за счет применения отрицательной обратной связи, влияние которой так меняет сопротивление нижнего плеча (сопротивление регулируемого транзистора), что напряжение на верхнем плече ( ) остается постоянным.

При изменении (увеличении) и постоянных и оба плеча регулируемого делителя вначале не меняются и в начальный момент несколько увеличиваются только за счет дополнительного падения напряжения из-за увеличения . Однако увеличение через R7 – R9 подается на вход УПТ. Это приводит к уменьшению и транзисторов VT1 и VT2 и уменьшению регулируемого транзистора, что в свою очередь приводит к увеличению сопротивления нижнего (регулируемого) плеча двигателя. При этом падение напряжения на нижнем плече увеличивается, и значение восстанавливается с заданной степенью точности.

При изменении (увеличении) верхнего плеча делителя при постоянных и в начальный момент нижнее плечо регулируемого делителя неизменно и увеличивается. Это приводит к увеличению и транзисторов VТ1 и VТ2, а соответственно и к уменьшению и . Последнее приводит к увеличению сопротивления РТ (нижнее плечо двигателя), и к обратному восстановлению с заданной степенью точности.

Как видно, в данной схеме обратная отрицательная связь проявляется в том, что увеличение (уменьшение) вызывает уменьшение (увеличение) и , что изменяет внутреннее сопротивление регулируемого транзистора.

2.7. Компенсационный стабилизатор тока.

Схема (рисунок 2.7.) позволяет легко перейти от режима стабилизации напряжения к режиму стабилизации тока добавлением одного токоизмерительного (эталонного) резистора , поэтому схема стабилизатора тока мало, чем отличается от рассмотренного стабилизатора напряжения.

Принцип работы стабилизатора тока таков же, как и стабилизатора напряжения.

Цепь обратной связи (делитель, VТ1, VТ2, VТ3, VТ4) с определенной статистической ошибкой поддерживает постоянным напряжение на эталонном резисторе . Так как постоянно, то остается постоянным и ток через , который протекает одновременно и через сопротивление нагрузки , которое может быть включено не только в цепь эмиттера РТ, но и в цепь коллектора РТ.

Суммарный ток через резисторы R5 и R6 замыкается через сопротивление нагрузки и ток не может быть меньше суммарного тока, поэтому в схемах, где требуется широкая регулировка , резисторы R5 и R6 подключают к плюсу источника .

2.8. Описание общей схемы макета.

Универсальный источник питания является регулируемым источником стабильного напряжения (тока). Схема стабилизатора питается от мостового выпрямителя, собранного на мощных диодах VD5-VD8 типа Д-242. Конденсатор С2 – емкостной фильтр выпрямителя. Напряжение на емкости С2 является входным напряжением стабилизатора и измеряется вольтметром ИП2, входной ток стабилизатора концентрируется измерительным прибором ИП1.

Для улучшения качественных характеристик стабилизатора схемы усилителей постоянного тока обратной связи (VТ1 и VТ2) питаются от отдельного маломощного источника, собранного по мостовой схеме на диодах VD1-VD4 типа Д-226 с емкостным фильтром С1. Источник напряжения дополнительно застабилизирован при помощи параметрического двухкаскадного стабилизатора напряжения, собранного по параллельной схеме, на стабилитронах VD10-VD14, причем второй каскад данного стабилизатора, как было указано выше, одновременно является термокомпенсированным источником эталонного (опорного) напряжения, которое сравнивается в схеме сравнения (транзистор VТ2) с некоторым напряжением , снимаемого с делителя R7 - Rдi.

Схема компенсационного стабилизатора позволяет легко перейти от режима стабилизации напряжения к режиму стабилизации тока при помощи переключения тумблера B6. Выходные параметры – ток и напряжение – контролируются измерительными приборами ИП3 и ИП4, которые могут посредством тумблеров В1 и В4 подключаться к параметрическому стабилизатору напряжения (схема коммутации приборов не показана).

Достоинством приведенной схемы стабилизатора является то, что во всем диапазоне регулировки напряжения (тока) она обладает нагрузочной характеристикой специального вида, обеспечивающей быстродействующую (триггельную) защиту от перегрузок силового триода и выпрямителя при коротких замыканиях на выходе. Такая характеристика формируется с помощью токоизмерительного триггерного элемента (резистор R4), реагирующего на ток или напряжение перегрузки и формирующего совместно с транзисторами VТ1 и VТ2, диодами VD1-VD14 запирающий сигнал на базе регулирующего триода. Такая защита может быть достаточно точно настроена при помощи резистора R4 на нужный порог или , при котором происходит выключение схемы (запирание регулирующего транзистора) и обладает высоким быстродействием.

Работа данной схемы подобна работе релаксатора с двумя устойчивыми состояниями – отсюда и название защиты.

Предварительное задание.

1. Ознакомиться с лабораторным макетом, измерительными приборами по прилагаемым описаниям, знать цель работы.

2. Зарисовать схемы рисунок 2.2., 2.7. и табл. 1, 2.

3. Знать принцип работы схемы.

3.Порядок выполнения работы.

Исследование параметрического стабилизатора напряжения (рисунок 2.2.):

а) установить тумблеры В1-В4 в положении 1;

б) R9 вывести в нуль;

в) определить диапазон стабилизируемого напряжения по характеристике , изменяя напряжение сети ЛАТРом;

г) построить график зависимости;

д) подсчитать коэффициент стабилизации по напряжению по формуле (9), где за номинальные значения входного и выходного напряжений и принимаются значения при напряжении сети 220 В.

Исследование компенсационного стабилизатора напряжения (рисунок 2.7.):

а) установить тумблеры В1 - В4 в положение 2; тумблер В6 - в режимы стабилизации напряжения, вывести в нуль (влево) сопротивление делителя тока R9;

б) установить сопротивление нагрузки в среднее положение и, изменяя сопротивление делителя напряжения R8, определить диапазон регулирования стабилизируемого напряжения (прибор ИП4);

в) установить В и при определить диапазон стабилизируемого напряжения по характеристике , изменяя напряжение сети ЛАТРом.

Результаты эксперимента и расчета свести в табл.1. При расчете за (прибор ИП2) принимается входное напряжение при 220В.

Таблица 1

UВХ
 UВХ
UВЫХ
 UВЫХ
КстU

По данным таблицы построить графики зависимости , .

г) установить напряжение сети 220 В. Снять нагрузочную характеристику при В путем изменения тока нагрузки (прибор ИП3), подсчитать коэффициент стабилизации по току согласно выражению (12), если мА.

Результаты эксперимента и расчета свести в табл. 2.

Таблица 2

IH
 IВЫХ
UВЫХ
 UВЫХ
КстI

По данным таблицы построить графики зависимостей ,

Исследование компенсационного стабилизатора тока:

а) переключить тумблер В6 в режим стабилизации тока “1”, тумблеры В1 - В4 – положение 2;

б) установить сопротивление нагрузки в среднее положение и, изменяя сопротивление делителя тока R9, определить диапазон регулирования стабилизируемого тока (прибором ИП3);

в) установить мА и, изменяя ЛАТРом напряжение сети в пределах ±10%, снять характеристику при ;

г) изменяя сопротивлением напряжение на нагрузке снять характеристику при мА и мА;

д) установить мА. Подключить к входным, затем к выходным клеммам стабилизатора токам электронный осциллограф и зарисовать форму выпрямленного и стабилизированного тока и в одном масштабе и положении ручки “Усиление” осциллографа;

4. Содержание отчета.

Отчет оформляется студентом индивидуально и должен содержать:

1. схемы рисунков 2.2., 2.7.;

2. полностью заполненные таблицы расчетов и экспериментальных данных;

3. графики и осциллограммы раздела 3.

5. Контрольные вопросы.

1. Что такое стабилизатор напряжения и чем он отличается от стабилизатора тока?

2. Каковы основные критерии качества стабилизатора?

3. В чем заключается разница между стабилизацией и сглаживанием напряжения (тока)?

4. На какие виды подразделяются стабилизаторы по принципу действия?

5. В чем заключается принцип работы однокаскадной схемы параметрического стабилизатора напряжения и каковы его недостатки?

6. Что такое термокомпенсация p-n перехода стабилизатора?

7. В чем заключается принцип работы компенсационных стабилизаторов напряжения и тока?

8. Для чего в качестве регулирующего элемента стабилизатора применяют составной транзистор?

9. Что такое триггерная защита стабилизатора от перегрузок и как она реализуется в схеме макета?

10. В чем заключается влияние изменения сопротивления нагрузки на эффект стабилизации напряжения (тока)?