2. Контрольні питання

• Порівняйте характеристики однополуперіодного й двополуперіодного випрямлячів?

• Які схеми двополуперіодних випрямлячів вам відомі. Опишіть принцип їх роботи.

• Для чого у випрямлячах використовуються фільтри? Як улаштований ємнісний фільтр?

• Як можна оцінити ступінь пульсацій вихідної напруги випрямляча без фільтра і зі згладжуючим ємнісним фільтром?

Лабораторна робота № 4 дослідження характеристик стабілітрона

1. Мета роботи

Метою роботи є дослідження характеристик напівпровідникового стабілітрона.

2. Відомості, необхідні для виконання роботи

Стабілітрон – це напівпровідниковий діод, p-n-перехід якого працює в режимі лавинного пробою. Такий режим виникає при зсуві p-n-переходу у зворотному напрямку. У режимі лавинного пробою в широкому діапазоні зміни струму через діод спадання напруги на ньому залишається практично незмінним. На рис. 4.1, а й б показані умовні графічні зображення стабілітронів, а на рис. 4.1, у наведена типова ВАХ стабілітрона.

Схеми включення стабілітрона наведені на рис. 4.2. Для обмеження струму через стабілітрон послідовно з ним включають баластовий опір R_Б. Якщо лавинний струм такий, що потужність розсіювання на стабілітроні, не перевищує гранично припустимого значення, то в такому режимі прилад може працювати необмежено довго. Гранично припустима потужність розсіювання, може становити від 100 мВт для стабілітронів малої потужності до 8 Вт для стабілітронів великої потужності.

Іноді для стабілізації напруги використовують той факт, що пряме падіння напруги на діоді слабко залежить від сили струму, що протікає через р-п-перехід. Прилади, у яких використовується цей ефект на відміну від стабілітронів називаються стабісторами. В області прямого зсуву падіння напруги на р-п-переході становить, як правило, 0,7 В...2 В, тому, стабістори дозволяють стабілізувати тільки малі напруги (не більше 2 В). Для обмеження струму через стабістор послідовно з ним також включають баластовий опір.

Рис. 4.1. Схематичне зображення стабілітронів (а – односторонній, б – двуосторонній) і їх ВАХ (в): – напруга стабілізації

Рис. 4.2. Схема включення стабілітрона для стабілізації позитивної (а) і негативної (б) напруги

Диференціальний опір стабілітрона – це параметр, який характеризує нахил його вольтамперної характеристики в області пробою. На рис. 4.3 показана лінеаризована ділянка ВАХ стабілітрона, який дозволяє визначити диференціальний опір приладу:

244Equation Section (Next)25425\* MERGEFORMAT (.)

Рис. 4.3. Лінеаризована характеристика стабілітрона

Параметричний стабілізатор напруги

Типова схема параметричного стабілізатора напруги, виконаного на стабілітроні, наведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема параметричного стабілізатора напруги

Це паралельна схема стабілізації. Вхідна напруга через баластовий резистор подається на паралельно включені стабілітрон і опір навантаження . Робочою ділянкою ВАХ стабілітрона є її зворотна гілка в області електричного лавинного пробою. При роботі в цій області зворотна напруга на стабілітроні змінюється незначно при відносно більших змінах струму стабілітрона. Так як опір навантаження включений паралельно стабілітрону, напруга на ньому також змінюється незначно.

Якщо вхідна напруга, наприклад, збільшиться, то практично всі його збільшення буде прикладено до баластового резистора, що приведе до збільшення струму через нього. Це збільшення струму відбувається за рахунок збільшення струму стабілітрона при майже незмінному струмі через опір навантаження.

Схему параметричного стабілізатора можна розглядати як послідовне включення двох елементів, одним з яких є баластовий резистор , а другий – паралельно з'єднані стабілітрон і опір навантаження . Для аналізу роботи такої схеми зручно використовувати метод перетинання вольтамперных характеристик. В основу даного методу покладено припущення про те, що сумарна напруга на послідовно включених елементах визначається зовнішнім джерелом і не залежить від струму, що протікає в колі. При відомих ВАХ елементів струм, що протікає в колі, може бути легко знайдений графічно. Для цього потрібно побудувати ВАХ обох елементів. При цьому для одного з елементів ВАХ дзеркально відображають щодо осі струмів, а її початок зміщують по осі напруг на величину, рівну вхідній напрузі.

На рис. 4.5 крива 1 являє собою ВАХ стабілітрона й опору навантаження, з'єднаних паралельно.

Рис. 4.5. ВАХ параметричного стабілізатора напруги

Лінія 2 на цьому рисунку являє собою перевернуту ВАХ баластного резистора, яку прийнято називати навантажувальною характеристикою. Вона проходить через дві точки, одна з яких лежить на осі напруг , а інша – на осі струмів . Перетинання характеристик дає робочу точку схеми параметричного стабілізатора, що дозволяє знайти вихідну напругу і струм що протікає через баластовий резистор . При цьому слід пам'ятати, що , тобто перерозподіляється між опором навантаження ( ) і стабілітроном ( ).

Якщо вхідна напруга схеми зміниться й стане рівною це призведе до зміни положення ВАХ баластового резистора (пунктирна лінія на рис. 4.5). Робоча точка схеми зміститься, що приведе до зміни режиму роботи параметричного стабілізатора. Очевидно, що внаслідок нелінійності ВАХ стабілітрона зміні вхідної напруги буде відповідати суттєво менша зміна вихідної напруги схеми ( ).

Важливим параметром стабілізатора напруги є коефіцієнт стабілізації, який визначається як відношення відносної зміни вхідної напруги до викликаної нею відносній зміні вихідної напруги:

26426\* MERGEFORMAT (.)

де

Для оцінки коефіцієнта стабілізації параметричного стабілізатора напруги зробимо припущення, що і .

Тоді можна записати співвідношення:

27427\* MERGEFORMAT (.)

28428\* MERGEFORMAT (.)

де – диференційний опір стабілітрона, який визначається виразом (4.1).

З виразів (4.3) і (4.4) слідує:

29429\* MERGEFORMAT (.)

Підставивши отримані співвідношення у вираз (4.2), одержимо:

30430\* MERGEFORMAT (.)

Типова величина коефіцієнта стабілізації параметричного стабілізатора становить: .

Розрахунки схеми параметричного стабілізатора зводяться до розрахунків опору баластового резистора при заданих змінах вхідної напруги за умови за допомогою співвідношень:

31431\* MERGEFORMAT (.)

32432\* MERGEFORMAT (.)

3. ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

До складу лабораторного стенда входять:

• базовий лабораторний стенд;

• лабораторний модуль М3.

4. РОБОЧЕ ЗАВДАННЯ

Підготуйте шаблон звіту в редакторі MS Word.

Установіть ключ у роз’єм модуля М3 лабораторного стенда. Зовнішній вигляд модуля показаний на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Зовнішній вигляд модуля М3

Завантажте й запустіть програму Lab4(М3).vі. На екрані з'явиться зображення лицьової панелі ВП (рис. 4.7), необхідного для виконання лабораторних завдань.

Завдання 1. Дослідження вольтамперної характеристики стабілітрона

1. Установіть перемикач «К» модуля М3 у положення «1».

2. Побудуйте ВАХ стабілітрона. Для цього за допомогою елементів керування на лицьовій панелі ВП і встановіть діапазон зміни напруги вхідного сигналу від –10 В до 4 В, і натисніть на панелі ВП кнопку «Измерение». ВП виконає серію вимірів і на його графічному індикаторі з'явиться графік ВАХ стабілітрона. Скопіюйте отриману ВАХ у звіт.

Рис. 4.7. Лицьова панель ВП

3. По отриманій ВАХ визначте напругу стабілізації, яка відповідає струму через стабілітрон . Порівняйте отримане значення з довідковими даними. Висновки і результати запишіть у звіт.

4. Для визначення диференціального опору стабілітрона по його ВАХ проведіть наступні виміри: змінюючи напругу на вході схеми за допомогою повзункового регулятора, встановіть спочатку струм через стабілітрон приблизно рівним –2 мА, а потім приблизно рівним –8 мА. Запишіть у звіт показання амперметра I і вольтметра U.

5. Розрахуйте диференціальний опір стабілітрона по формулі . Порівняйте отримане значення з довідковими даними. Висновки і результати запишіть у звіт.

Завдання 2. Дослідження роботи параметричного стабілізатора напруги

1. Установите перемикач «К» модуля М3 у положення «2». При цьому паралельно стабілітрону буде підключений опір навантаження величиною 3 кОм.

2. Побудуйте ВАХ ділянки схеми, що складається з паралельно з'єднаних стабілітрона й опору навантаження. Для цього за допомогою елементів керування ВП і встановіть діапазон зміни вхідної напруги від –10 В до 4 В и натисніть на лицьовій панелі ВП кнопку «Измерение». ВП виконає серію вимірів і на його графічному індикаторі з'явиться вольтамперная характеристика. Скопіюйте отриману ВАХ у звіт.

3. За допомогою повзункового регулятора встановите на вході стабілізатора напруга приблизно рівною –8 В. Запишіть у звіт значення струму I, що протікає через баластовий резистор, і величину вихідної напруги .

4. За допомогою повзункового регулятора встановите на вході стабілізатора напруга приблизно рівною –9 В. Запишіть у звіт значення струму I, що протікає через баластовий резистор, і величину вихідної напруги .

5. Розрахуйте коефіцієнт стабілізації по формулах (4.2) і (4.6), використовуючи величини струмів і напруг, отримані в пп. 4.2.3 і 4.2.4. При розрахунках використовуйте значення диференціального опору стабілітрона, отримане при виконанні п. 4.1.5. Порівняйте отримані різними способами значення коефіцієнта стабілізації. Висновки і результати запишіть у звіт.

6. Вимкніть ВП, для чого натисніть на лицьовій панелі ВП кнопку «Завершение работы».