Лабораторные работы / Второе полугодие / Лабораторная работа №12

Лабораторная работа №9

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Цель работы: Изучения принципа действия и схемотехники компенсационных стабилизаторов напряжения. Получение навыков измерения параметров и расчета основных характеристик компенсационных стабилизаторов напряжения. Исследование влияния параметров элементной базы на характеристики компенсационных стабилизаторов.

Краткие теоретические сведения

Компенсационный стабилизатор напряжения имеет структурную схему, приведенную на рисунке 1а. Выходное напряжение U_вых стабилизатора через делитель напряжения ДН подводится к усилителю сигнала рассогласования (сигнала ошибки) УСО, где сравнивается с напряжением U_оп источника опорного напряжения ИОН. С выхода УСО напряжение ошибки поступает на регулирующий элемент РЭ и изменяет его коэффициент передачи.

а) б)

Рисунок 1–Упрощенная структурная схема стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием (а) и функциональная схема стабилизатора фиксированного напряжения (б)

Уравнение компенсационного стабилизатора можно записать, используя схему (рис. 1а)

(1.1)

где U_оп–напряжение опорного источника, Uвых–выходное напряжение стабилизатора, k_д–коэффициент передачи делителя напряжения ДН, K₀–коэффициент усиления усилителя сигнала рассогласования УСО и регулирующего элемента РЭ.

Из (1.1) получаем значение напряжения на выходе стабилизатора:

. (1.2)

Если усиление УСО достаточно велико, то при условии K_дk₀1 получаем из (1.2)

(1.3)

Таким образом, из уравнения (1.3) следует, что выходное напряжение компенсационного стабилизатора не зависит от изменения напряжения на входе U_вх и пропорционально опорному напряжению. Иначе говоря, стабильность выходного напряжения компенсационного стабилизатора зависит только от нестабильности элементов, включенных в цепь обратной связи, и не зависит от нестабильности элементов в цепи прямой передачи. В качестве источника опорного напряжения обычно используется один из видов параметрических стабилизаторов. В этом случае применение делителя напряжения ДН позволяет полу выходное напряжение, отличное от напряжения опорного источника.

К напряжению на входе предъявляются требования такие же, как к напряжению питания усилителя: оно должно быть больше, чем напряжение на выходе хотя бы на падение напряжения на регулирующем элементе. Чем меньше падение напряжения на регулирующем элементе, тем выше будет КПД компенсационного стабилизатора. Поэтому для нормальной работы стабилизатора необходимо выполнение условий

По принципу действия компенсационные стабилизаторы делят на две группы: с непрерывным и импульсным регулированием. Основное различие этих стабилизаторов заключается в режиме работы регулирующего элемента: в стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме (т. е. как регулируемое сопротивление), а в стабилизаторах с импульсным регулированием он работает как ключ.

Компенсационные стабилизаторы с непрерывным регулированием выполняются по схеме, приведенной на рисунке 1б. В этой схеме делитель напряжения выполнен на резисторах R1 и R2. Коэффициент передачи такого делителя

(1.4)

Источник опорного напряжения Uоп выполнен на стабилитроне VD и гасящем сопротивлении Rг, а у силитель сигнала ошибки УСО – на операционном усилителе ОУ.Регулирующий элемент построен на транзисторе VT по схеме эмиттерного повторителя, коэффициент передачи которого близок к единице.

В соответствии с формулой (1.3) выходное напряжение стабилизатора

(1.5)

Поскольку оно зависит от нестабильности источника опорного напряжения Uоп, то не может быть стабильнее последнего. Следовательно, если обеспечить постоянство тока через стабилитрон, то нестабильность параметрического стабилизатора будет такой же, как и компенсационного.

Компенсационный стабилизатор имеет ряд преимуществ по сравнению с параметрическим стабилизатором. Выходной ток компенсационного стабилизатора может быть значительно больше и ограничивается возможностями регулирующего элемента; стабилитрон VD работает в режиме холостого хода, так как он подключен к высокоомному входу ОУ.

Кроме опорного напряжения на нестабильность выходного напряжения влияет изменение коэффициента передачи делителя напряжения. В связи с этим делитель напряжения должен выполняться на резисторах с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления.

Влияние изменения коэффициента усиления УСО можно практически исключить, если сделать его достаточно большим (больше 1000). Для этого лучше всего подходят операционные усилители. В формулу (1.3) для выходного напряжения компенсационного стабилизатора не входят ток нагрузки I_н и входное напряжение U_вх. В связи с этим может сложиться впечатление, что выходное сопротивление и коэффициент не стабильности по напряжению такого стабилизатора равны нулю, так как из (1.3) следует, что

и (1.6)

Такой результат связан с анализом упрощенной структурной схемы стабилизатора. На самом деле эти параметры отличны от нуля, но имеют малые значения, например, R_вых доходит до 0,01 Ом. Основным недостатком компенсационного стабилизатора с непрерывным регулированием является его невысокий КПД. Наибольший расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как напряжение на нем равно разности U_вх – U_вых и через него проходит весь ток нагрузки. В связи с этим регулирующий элемент РЭ часто устанавливают на теплоотвод.

В настоящее время стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием выпускаются как на основе дискретных элементов, так и на основе интегральных микросхем.

Лабораторные задания

Задание 1. Определение КПД компенсационного стабилизатора

Соберите схему, приведенную на рисунке 2.

Рисунок 1.2 –Схема компенсационного стабилизатор напряжения

1.1) Измерение номинального выходного напряжения. Измерьте вольтметром напряжения U_вых на нагрузке R_н при номинальных значениях элементов.

1.2) Вычисление тока нагрузки. Вычислите ток I_н протекающий через нагрузку R_н по формуле

(1.7)

где U_вых–напряжение, измеренное на выходе стабилизатора.

1.3) Измерение потребляемого тока. Измерьте амперметром ток I_вх, потребляемый стабилизатором от первичного источника питания Е1.

1.4) Расчет КПД. Используя ранее полученные результаты, рассчитайте номинальный КПД компенсационного стабилизатора по формуле

, (1.8)

где Р_н, Р_п–соответственно мощность, рассеиваемая в нагрузке и потребляемая.

Задание 2. Определение коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора

Соберите схему, приведенную на рисунке 3.

Рисунок 3–Схема исследуемого компенсационного стабилизатор напряжения

2.1) Измерение постоянной и переменной составляющей входного и выходного напряжения. Измерьте осциллографом постоянную (-U_вх, -U_вых) и переменную (~U_вх, ~U_вых) составляющие напряжения на входе и выходе стабилизатора при номинальных значениях элементов.

2.2)Расчет номинального коэффициента стабилизации. Используя ранее полученные результаты, рассчитайте коэффициент стабилизации схемы по формуле

. (1.9)

Задание 3. Определение основных характеристик и параметров компенсационного стабилизатора.

3.1) Определение внешней характеристики стабилизатора. Соберите схему, приведенную на рисунке 4.

Рисунок 4 –Схема для исследования внешней характеристики компенсационного стабилизатора

Измерьте, используя вольтметр и амперметр выходное напряжение и ток стабилизатора при указанной на схеме нагрузке Rн. Изменяя сопротивление нагрузки (Rн=200, 300, 400,..., 2000 Ом) и фиксируя соответствующие значения тока и напряжения, постройте график зависимости U_вых=f(I_н). Результаты измерения тока, напряжения занести в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты изменений

Rн, Ом	Uвых, В	Iн, А
100
200
…
…
…
2000

3.2) Определение выходного сопротивления стабилизатора. Включите схему. Измерьте осциллографом переменные составляющие выходного напряжения и тока стабилизатора при нагрузке R_н1=100 Ом, R_н2=1 кОм, R_н=5 кОм. Постройте график зависимости U_вых=f(I_н). Результаты измерения тока, напряжения занести в таблицу 1. Предварительно установите состояние входов осциллографа в режим АС. В отчет добавить Осциллограммы напряжений компенсационного стабилизатора напряжения.

Рисунок 5 –Схема для определения выходного сопротивления

По полученным результатам, используя выражение (1.6), определите выходное сопротивление компенсационного стабилизатора для указанных значений сопротивления нагрузки

Таблица 2 – Результаты изменений

Rн, Ом	~Uвых, В	~Iн, А	Rвых, Ом
100
1000
5000