Лабораторная работа № 6

Компенсационный стабилизатор напряжения

1. Принцип действия и основные параметры стабилизаторов

При проектировании источников питания для радиоэлектронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности выходного напряжения.

Простейшими стабилизаторами являются схемы, использующие нелинейные элементы, вольтамперная характеристика которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока. Такую характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис.1а). Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис.1б.

б) а)

Рис.1 а) Вольтамперная характеристика стабилитрона, работающего при обратном напряжении в области пробоя; б)схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения.

Входное напряжение распределяется между балластным резистором R_б и стабилитроном:

U_вх – U_rб + U_ст (1)

где U_rб- (I_ст+I_н)R_б – падение напряжения на балластном резисторе R_б при протекании токов стабилизатора I_ст и нагрузки I_н. Если перейти к приращениям напряжений и считать, что приращение U_ст = 0, получим:

U_вх = U_rб = I_стR_б (2)

При изменении входного напряжения на U_вх стабилитрона изменяется на U_вх/R, а напряжение на выходе U_вых – U_ст остается постоянным.

Параметрические стабилизаторы обладают существенными недостатками,, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки (I_н = I_ст.ном).

2. Компенсационный стабилизатор напряжения на транзисторах.

Существенно повысить качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой автоматические регуляторы, в которых выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Возникший при этом сигнал рассогласования усиливается и управляет регулирующим элементом стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение достигло заданного эталонного уровня. В качестве источника опорного напряжения обычно используется параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки.

Принципиальная схема транзисторного компенсационного стабилизатора последовательного типа приведена на рис.2.

Рис.2. Схема транзисторного компенсационного стабилизатора последовательного типа.

Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1. С ростом величины U_вх выходное напряжение возрастает по абсолютной величине, что ведет к возрастанию U₁. Значит между базой и эмиттером транзистора VT2 возникает сигнал рассогласования, который усиливается и подается на вход транзистора VT1. Напряжение база-эмиттер транзистора VT1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления этого транзистора постоянному току, а следовательно к увеличению падения напряжения на нем. Выходное напряжение уменьшается, стремясь к тому, чтобы напряжение рассогласования, возникшее на переходе база-эмиттер VT2, стало первоначальным. Плавная регулировка выходного напряжения производится с помощью делителя R₁-R₂-R₃. Перемещением движка резистора R₂ создается начальное рассогласование, которое определяет степень закрытия или открытия транзистора VT1. Следовательно, задается уровень выходного напряжения, так как согласно правилу Киргхофа:

U_вх = U_VT1+U_вых (3)

Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются:

1) коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности:

(4)

2) коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора U_вх/U_вх к относительному приращению напряжения на выходе U_н/U_н.

При постоянной нагрузке коэффициент стабилизации равен:

К_ст = (U_вх/U_вх)/(U_н/U_н). (5)

3) выходное сопротивление стабилизатора, равное отношению приращения напряжения на выходе стабилизатора U_н к приращению тока нагрузки I_н:

, (6)

при постоянном входном напряжении U_вх=const.

При питании усилителей выходное сопротивление стабилизатора создает паразитные обратные связи через источник, приводящие к изменению параметров усилителей и даже к самовозбуждению усилителей. Поэтому выходное сопротивление стабилизатора желательно снижать.

Компенсационный стабилизатор напряжения уменьшает и пульсации выпрямителя, ослабляя переменные составляющие выходного напряжения, так как пульсации также проявляются как нестабильность входного напряжения.

3. Расчет простого компенсационного стабилизатора на транзисторах

В данной схеме (рис.2) отсутствует источник стабильного напряжения, от которого должно подаваться постоянное напряжение на базу регулируемого транзистора VT1. Поэтому резистор R_к2, который входит в состав делителя напряжения для смещения транзистора VT1, соединяется с источником нестабильного напряжения U_вх. Такое соединение приведет к некоторому уменьшению коэффициента стабилизации K_ст.

1. Расчет начнем с выбора транзистора VT1 по требуемым значениям I_нmnax, U_вых.

Определим минимальное входное напряжение:

U_вх.min = U_вых+U_вых + U_{кэ min}, (7)

где U_{кэ min} - минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT₁, при котором его работа не заходит в область насыщения. Для мощных транзисторов, которые используются в качестве регулирующего элемента U_{кэ min} = 1-3 В. При расчете принимают U_кэmin = 3 В.

Учитывая допустимые изменения входного напряжения U_вх, находим номинальное и максимальное значения входного напряжения:

U_вх=U_{вых min}+U_вх

U_{вх max} = U_вх+U_вх (8)

Определяем максимальное напряжение U_{кэ max} и максимальную мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе:

U_{кэ max} = U_{вх max} - U_вых.min

P_{к max} = U_{кэ max}I_н (9)

По этим значениям выбираем тип транзистора VT1.

2. Для создания опорного напряжения U_оп выберем стабилизатор типа Д814А с параметрами U_ст=U_оп=8 В, R_g=6 Ом, I_ст.ном=20 mA.

3. Определим максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT2:

U_{кэ max}=U_{н max}-U_оп (10)

Исходя из условия U_{кэ max} =U_{к max.доп} выбираем тип транзистора VT2 с достаточно высоким коэффициентом усиления по току.

4. Учитывая, что через балластный резистор R_б протекает ток I_{ст ном} – I_к2 найдем сопротивление R_б, предварительно задавшись I_к2:

(11)

Ток коллектора покоя I_к2 выбирается по методике расчета режима транзисторного каскада, приведенного в лабораторной работе №1.

5. Учитывая очевидные равенства I_Rк2=I_к2+I_б1 и I_б1=I_к2max(h₂₁+1) определим сопротивление коллекторной нагрузки транзистора VT2:

(12)

обеспечивающее нормальную работу схемы при максимальном токе нагрузки.

6. Если считать, что когда движок потенциометра R₂ стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение U_нmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда из уравнений, составленных по законам Кирхгофа и Ома:

U_нmin - U_оп = I_делR₁,

U_оп = I_делR₃

U_нmax - U_оп = I_дел(R₁+R₂)

Задавшись током делителя I_дел = 10I_б2 получим значения R₁, R₂, R₃.

Задание к работе:

1. По заданным значениям тока нагрузки I_н, выходного стабилизированного напряжения U_вых и его допустимой нестабильности U_вых рассчитать компенсационный стабилизатор напряжения по приведенной выше методике для схемы, приведенной на рис.2.

2. Соберите компенсационный стабилизатор напряжения на макетной схеме и определите экспериментально режим работы транзисторов.

3. Сравните результаты измерений с расчетными значениями и объяснить результаты.

4. Экспериментально определите коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора напряжения. Для чего в качестве источника входного напряжения используйте выпрямитель с регулируемым выходным напряжением.

5. Изменяя сопротивление нагрузки на выходе стабилизатора, убедитесь, что выходное напряжение также остается постоянным.

Контрольные вопросы:

1. Приведите схему параметрического стабилизатора напряжения и объясните принцип его работы. Перечислите недостатки параметрических стабилизаторов напряжения и обоснуйте их.

2. Приведите простейшую схему компенсационного стабилизатора и объяснить принцип работы.

3. Объясните принцип стабилизации выходного напряжения, рассматривая работу транзисторов как усилительных элементов. Укажите цепи смещения как для транзистора VT1 и VT2.

4. От чего зависят коэффициенты стабилизации параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения? Ответ обоснуйте.