Лабораторная работа № 8 исследование импульсного стабилизатора напряжения

1. Цель работы

1. Изучить принципы построения импульсных стабилизаторов напряжения.

2. Исследовать стабилизатор релейного типа в различных режимах работы.

2. Краткие теоретические сведения

2.1. Наряду с линейными стабилизаторами, обеспечивающими очень малый коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке, широкое распространение в устройствах электропитания устройств связи, радиотехнической и электронной аппаратуры получили импульсные стабилизаторы постоянного напряжения. Преимущество последних заключается в возможности получения более высокого к.п.д. стабилизатора и уменьшения его габаритов. Эти преимущества обеспечиваются работой регулирующего транзистора в режиме переключения, который характеризуется быстрым переходом рабочей точки из области отсечки в область насыщения. При этом мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, во много раз меньше, чем при его работе в линейном режиме.

Мощность, рассеиваемая транзистором, работающим в ключевом режиме , складывается из: мощности, рассеиваемой в режиме отсечки , мощности, рассеиваемой в режиме насыщения и мощности переключения .

Значения составляющих , , определяются из следующих выражений:

;

;

;

= + + ;

где – начальный коллекторный ток транзистора;

– напряжение коллектор-эмиттер транзистора в режиме, насыщения;

– максимальный коллекторный ток;

– время включения, время выключения и частота переключения транзистора;

– относительное время открытого состояния транзистора .

При малых величинах суммарная мощность определяется в основном составляющими и .

Величина в основном зависит от относительного времени открытого состояния , тока и остаточного напряжения . В стабилизаторах напряжения зависит от отношения выходного и входного напряжений. Чем больше , тем меньше величина и меньше .

Составляющая зависит от частотных свойств транзистора, а именно, от времени его включения и времени выключения , от величины входного напряжения , максимального тока коллектора и частоты переключения . Чем выше граничная частота транзистора, тем меньше , , и тем меньше мощность .

При использовании низкочастотных транзисторов максимальная частота переключения ограничивается величиной мощности .

Однако выходное напряжение импульсных стабилизаторов содержит относительно большую пульсацию, что требует громоздких фильтров на выходе стабилизатора. Таким образом, по фильтрующим свойствам импульсные стабилизаторы значительно уступают линейным. Этот их недостаток может быть устранен при использовании комбинированных стабилизаторов, состоящих из импульсных и линейных, работающих параллельно на нагрузку.

2.2. Наиболее широко применяются два типа импульсных стабилизаторов: стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и релейные стабилизаторы или стабилизаторы с двухпозиционным регулированием.

Функциональная схема релейного стабилизатора напряжения изображена на рисунке 1а.

Рассмотрим принцип действия такого устройства. Пусть в первый момент переключатель П замкнут. Конденсатор заряжается через резистор до напряжения . При достижении этого напряжения переключатель П размыкается и конденсатор будет разряжаться через сопротивление нагрузки. При этом напряжение на выходе уменьшается до некоторого значения , после чего вновь замыкается переключатель П и происходит заряд конденсатора до напряжения . Таким образом, процесс заряда и разряда конденсатора будет периодически повторяться. Изменение входного напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет к изменению продолжительности открытого состояния регулирующего транзистора и к изменению частоты его переключения, а среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться неизменным с определенной степенью точности.

Исследуемый стабилизатор помещен в типовой корпус, на передней панели которого изображена принципиальная электрическая схема. Приборы для снятия величин входных и выходных токов и напряжении размещены в верхней части передней панели. К питающей сети стабилизатор подключается через лабораторный автотрансформатор, что позволяет определить коэффициент стабилизации напряжения на нагрузке при изменении входного напряжения. Для снятия осциллограмм в схеме стабилизатора предусмотрены контрольные точки.