Лабораторна робота №10 Дослідження стабілізаторів постійної напруги за допомогою програми схемотехнічного моделювання ElectroNic workbench 5.12
Мета лабораторної роботи: метою лабораторної роботи є моделювання та експериментальне дослідження стабілізаторів постійної напруги за допомогою програми схемотехнічного моделювання EWB
План виконання лабораторної роботи
10.1 Короткі теоретичні положення
10.2 Підготовка до лабораторної роботи
10.3 Послідовність розрахунку параметрів схеми
10.4 Робоче завдання
10.1 Короткі теоретичні положення
Стабілізатори
постійної напруги (в загальному випадку
– чотириполюсники) призначені для
зменшення нестабільності
вихідної напруги
.
Розрізняють два типи стабілізаторів:
параметричні стабілізатори та
компенсаційні стабілізатори.
Принцип дії параметричних стабілізаторів оснований на використанні двополюсника (елемента) з нелінійною вольт-амперною характеристикою певного типу. Зазвичай в якості таких елементів використовують стабілітрон, зворотна гілка вольт-амперної характеристики якого наведена на рис.10.1.
Принцип
використання стабілітрона оснований
на явищі пробою p-n
переходу в випадку, коли він зміщений
в зворотному напрямку. Найбільш важливими
параметрами стабілітрона є номінальний
струм стабілізації
,
при протіканні якого через стабілітрон
на ньому виникає номінальна напруга
стабілізації
.
Рисунок 10.1 – Вольт-амперна характеристика та параметри стабілітрона
Схему параметричного стабілізатора постійної напруги наведено на рис.10.2.
Рисунок 10.2 – Схема параметричного стабілізатора постійної напруги
Струм
через резистор
визначається формулою:
.
(10.1)
Відповідно до закону Кірхгофа
,
(10.2)
де
струм
через резистор навантаження
визначається формулою:
.
(10.3)
Одним
з найважливіших параметрів стабілізатора
напруги є коефіцієнт стабілізації
– відношення відносної нестабільності
вхідної напруги
до відносної нестабільності
вихідної напруги
:
.
(10.4)
Враховуючи,
що
,
наближене значення коефіцієнту
стабілізації можна обчислити за формулою:
,
(10.5)
де
- диференційний опір стабілітрона.
Аналіз формул (10.1) – (10.5) доводить, що коефіцієнт стабілізації параметричних стабілізаторів суттєво залежить від опору резистора навантаження : при зменшенні опору резистора навантаження збільшується струм , і для забезпечення умови (10.2) потрібно зменшувати опір резистора , що, відповідно до (10.5), приводить до зменшення коефіцієнту стабілізації.
Цей
недолік параметричних стабілізаторів
суттєво зменшується в компенсаційних
стабілізаторах, найпростіша схема якого
наведена на рис.10.3. Принцип дії
компенсаційних стабілізаторів оснований
на використанні стабілізуючої властивості
негативного зворотного зв’язку.
Транзистор
,
включений за схемою зі спільним емітером,
виконує роль підсилювача некомпенсації
з коефіцієнтом підсилення
.
Подільник напруги на резисторах
виконує роль кола зворотного зв’язку
з коефіцієнтом передачі
.
Опорна
напруга
створюється на стабілітроні
.
Регулюючий транзистор
,
включений за схемою зі спільним
колектором, забезпечує малий вихідний
опір стабілізатора (тобто достатньо
великий струм через опір навантаження.
Рисунок 10.3 – Схема простого компенсаційного стабілізатора
постійної напруги
Наближене значення коефіцієнту стабілізації визначається формулою:
.
(10.6)
де
;
-
коефіцієнт передачі емітерного
повторювача на транзисторі
;
-
коефіцієнт підсилення підсилювача
некомпенсації на транзисторі
;
- коефіцієнт передачі подільника напруги
на резисторах
(коефіцієнт передачі кола зворотного
зв’язку).
Коефіцієнт підсилення підсилювача некомпенсації на транзисторі визначається формулою:
,
(10.7)
-
вхідний опір емітерного повторювача
на транзисторі
,
який визначається формулою
;
- диференційний опір стабілітрона
;
- крутизна транзистора
.
Коефіцієнт передачі емітерного повторювача на транзисторі визначається формулою:
,
(10.8)
де
- еквівалентний опір навантаження;
- розподілений опір бази транзистора;
- диференційний опір переходу база-емітер
транзистора за схемою зі СЕ, значення
якого визначається формулою
;
- диференційний коефіцієнт передачі
струму транзистора за схемою зі спільним
емітером.
Вихідна напруги стабілізатора визначається формулою:
,
(10.9)
де
В - постійна напруга на переході
база-емітер, який зміщений в прямому
напрямку.
Коефіцієнт
стабілізації компенсаційного
стабілізаторів набагато менше залежить
від опору резистора навантаження
,
у параметричного, оскільки
зменшення опору резистора навантаження
лише незначно зменшує вхідний опір
емітерного повторювача на транзисторі
та його коефіцієнт передачі
,
що, в свою чергу незначно зменшує
коефіцієнт петльового підсилення
,
від якого залежить коефіцієнт стабілізації.
Недоліком
компенсаційного стабілізатора рис.10.3
є те, що температурна стабільність
вихідної напруги залежить від постійної
напруги
на переході база-емітер, який зміщений
в прямому напрямку.
Більш досконалою є схема компенсаційного стабілізатора постійної напруги, в якому підсилювач некомпенсації виконаний на операційному підсилювачу А1 (рис.10.5).
Опорна
напруга
створюється на стабілітроні
.
ОП А1
порівнює напругу
з напругою
,
де
- коефіцієнт передачі кола зворотного
зв’язку, підсилює їх різницю і, впливаючи
на регулюючий транзистор
,
забезпечує виконання умови
. (10.10)
Рисунок 10.4 – Схема компенсаційного стабілізатора постійної напруги
на операційному підсилювачі.
Коефіцієнт стабілізації визначається формулою:
. (10.11)
де - диференційний коефіцієнт підсилення ОП А1.