7. Задание №7. Расчет стабилизатора напряжения

Для обеспечения стабильного напряжения на сопротивления нагрузки R_н его присоединили к полупроводниковому стабилизатору напряжения VD (рис. 7.1) и подключили через резистор R к источнику питания. При протекании через стабилитрон VD обратного тока I_обр напряжение на его зажимах в некотором диапазоне токов сохраняется неизменным.

Определить пределы изменения напряжения нагрузки U_н, если напряжение источника питания U изменяется в пределах ∆U %, заданных в табл. 7.1. Вольт-амперная характеристика стабилизатора VD приведена в табл. 5.

Рис. 7.1. Схема полупроводникового стабилизатора напряжения

1. Строим вольт-амперную характеристику I_обр = f(U) нелинейного элемента – стабилитрона, пользуясь данными табл. 7.1 (кривая 1, рис. 7.2).

2. Строим вольт-амперную характеристику I = f(U) линейного элемента –сопротивления нагрузки R_н, для чего по заданной в табл. 7.2 величине сопротивления R_н при напряжении, не превышающем напряжения питания U, определяем по закону Ома величину тока для R_н.

Например, для напряжения U = 10 В при сопротивлении R_н = 10 кОм ток равен:

I = U / R_н = 10 / 10 000 = 1 мА. (7.1)

Проведя из начала координат прямую через точку с координатами 10 В, 1 мА, получаем вольт-амперную характеристику I = f(U) линейного элемента (прямая 2, рис. 7.2).

3. Суммированием ординат кривой 1 и прямой 2 получаем вольт-амперную характеристику I = f(U_н) параллельного соединения стабилитрона VD и сопротивления R_н (кривая 3, рис. 7.2).

Последовательное соединение добавочного сопротивления Rс параллельной цепью VD и R_н характеризуется вольт-амперной характеристикой I = f(U) всей схемы. Чтобы построить эту характеристику, необходимо графически изобразить вольт-амперную характеристику для добавочного сопротивления R аналогично тому, как это сделано в пункте 2.

Рис. 7.2. Вольт-амперные характеристики элементов

Таблица 7.1

Вольт-амперные характеристики стабилитронов

Iобр, мА	Номер вольт-амперной характеристики
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	U, В	U, В	U, В	U, В	U, В	U, В	U, В	U, В	U, В	U, В
0,2	2	2	2,6	2,6	2,6	2,7	2,8	2,1	2,7	3,5
0,3	3	4,3	3,3	3,3	3,3	3,6	3,5	3,0	3,6	5
0,4	4,8	6	4,3	5,0	4,3	5,0	4,5	3,5	4,2	6,2
0,5	5,7	7	5,0	5,5	4,6	6,0	5,5	5,0	5,0	7
0,6	6,8	8,2	6,0	6,0	5,3	7,0	6,0	5,3	6,0	7,6
0,8	7,9	8,5	6,3	6,6	6,0	7,3	6,8	6,7	7,5	7,8
1,0	8,1	8,55	7,4	7,8	6,3	7,8	7,2	7,0	8,1	8,0
1,2	8,2	8,6	7,6	8,2	6,7	8,1	7,5	7,3	8,15	8,05
2	8,3	8,8	7,7	8,7	7,4	8,2	7,6	7,5	8,2	8,1
3	8,4	8,9	7,75	9,2	7,8	8,25	7,7	7,8	8,3	8,25
4	8,5	8,9	7,9	9,2	8,1	8,3	7,8	7,9	8,35	8,3

4. Например, для добавочного сопротивления R = 1кОм и напряжения U = 4 В имеем I = 4 мА (прямая 4, рис. 7.2). При последовательном соединении элементов суммируются абсциссы вольт-амперных характеристик, поэтому суммируя характеристики 3 и 4, получаем вольт-амперную характеристику I = f(U) всей схемы (кривая 5, рис. 7.2).

5. По условию задачи напряжение U на входе схемы изменяется в пределах, заданных в табл. 7.2. Например, при изменении напряжения на ± 10 % колебания напряжения U =10 В составляют 9…11 В. При напряжении питания U = 9 В ток I определяется ординатой точки А и составит 3 мА. При напряжении U = 11 В ток I будет равен 4,6 мА, что определяется ординатой точки Б. При этом

Таблица 7.2	Варианты заданий		Последняя цифра шифра слушателя	5	U = 12 В	±ΔU	8		9		10		10		8		9		8		10		9		8
						R, кОм	1,1		1,1		1,16		1,2		1,3		1,4		1,3		1,4		1,4		1,2
						Rн кОм	12		11,5		11,5		14		13,5		11,4		12,2		13,2		13,4		14
						№ х-ки	5		4		3		2		1		6		7		8		9		10
				4	U = 12 В	±ΔU	9		10		8		10		9		8		10		9		8		10
						R, кОм	1,16		1,14		1,2		1,3		1,2		1,2		1,16		1,12		1,22		1,4
						Rн кОм	12,5		11,5		12,2		13		23,4		11,7		22,2		13,2		12		14
						№ х-ки	4		3		2		1		5		6		8		7		10		9
				3	U = 10 В	±ΔU	10		8		9		10		9		10		8		9		10		8
						R, кОм	0,9		1,1		1,16		1,16		1,16		1,16		1,2		1,2		1,0		1,25
						Rн кОм	11,5		12,5		12		11		13,3		11,6		12,2		12,5		16,0		13
						№ х-ки	3		4		5		6		7		8		9		10		2		1
				2	U = 12 В	±ΔU	9		10		8		10		8		9		10		8		8		8
						R, кОм	1,1		1,1		1,2		1,2		1,3		1,2		1,3		1,1		1,4		1,4
						Rн кОм	11		11,5		12		12,5		13,2		11,6		12		12,4		12,1		13
						№ х-ки	2		3		4		5		6		7		8		9		10		1
				1	U = 10 В	±ΔU	10		9		10		10		9		10		8		9		10		10
						R, кОм	1,2		1,2		1,1		1,2		1,25		1,2		2,6		1,3		1,0		1,42
						Rн кОм	12		11,5		12,5		11		13,1		11,8		12		12,4		12,1		13,2
						№ х-ки	10		9		8		7		6		5		4		3		2		1
			Пред-послед-няя цифра шифра слуша-теля					1		2		3		4		5		6		7		8		9		0

напряжение на нагрузке U_н, равное напряжению на зажимах стабилитрона VD, определяется абсциссами А₁, и Б₁, полученных пересечением горизонталей, проведенных из точек А и Б, с кривой 3. Для рассматриваемого случая колебания напряжения на нагрузке составит 6,0…6,6 В (рис. 7.2), среднее значение напряжения U_н.ср = 6,3 В.

6. Изменение напряжения на нагрузке ∆U_н можно определить как разность напряжений точек А и Б:

∆U_н = U_нБ – U_нА = 6,6 – 6,0 = 0,6 В. (7.2)

Относительное изменение напряжения на нагрузке ∆U %  можно определить как:

∆U % = ∆U_н/∆U_ср∙100 % = 0,6/6,3∙100 ≈ 9,52 %. (7.3)

Вывод. В разобранном примере при колебаниях напряжения источника в пределах ±10% напряжение на нагрузке изменяется 9,52 %.