EUiST_Lab_18_2017g_novaya2_Issledovanie_stabilizatorov_postoyannogo_napryazhenia_2

План УМД 2017/2018 уч. г.

Лабораторная работа №18

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Составители С.Л. Яблочников, профессор К.Ф. Шакиров, ассистент

Издание утверждено на заседании кафедры Протокол № 4 от 12.10 .2017 г.

Рецензент: Е.В. Костюк , доцент

2

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа действия параметрических и компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения и определение их основных параметров.

2.ПЛАН РАБОТЫ.

2.1.Произвести исследование параметрического стабилизатора.

2.2.Произвести исследование параметрического стабилизатора с последовательно включенным транзистором.

2.3.Произвести исследование параметрического стабилизатора с параллельно включенным транзистором.

2.4.Произвести исследование компенсационного стабилизатора на дискретных элементах.

2.5.Произвести исследование интегрального стабилизатора напряжения КР142ЕН8Б.

2.6.Произвести соотетствующие расчеты и на основании снятых данных построить внешнюю Uн=f(Iн) и нагрузочную Uн=f(U0) характеристики стабилизатора.

3.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.1. Виды стабилизаторов.

Стабилизатором напряжения (тока) называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение (ток) на стороне потребителя с достаточной степенью точности.

Стабилизаторы разделяются в зависимости от рода напряжения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и постоянного напряжения (тока). В свою очередь они делятся на параметрические и компенсационные стабилизаторы. В параметрических стабилизаторах используются нелинейные элементы и стабилизация напряжения (тока) осуществляется за счет нелинейности их вольтамперных характеристик (ВАХ).

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования (САР), содержащую цепь отрицательной обратной связи. Стабилизация достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом (РЭ), при воздействии на него сигнала обратной связи.

3.2. Основные параметры стабилизаторов.

Параметры стабилизаторов можно разделить на качественные, энергетические и массогабаритные, характеризующие их удельный объем и массу.

1. Качественные параметры параметрических и компенсационных стабилизаторов

постоянного напряжения.

1.1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению – отношение относительных приращений напряжения на входе и выходе стабилизатора при постоянном токе нагрузки.

3

1.2.Внутреннее сопротивление стабилизатора ri равно отношению приращения

выходного напряжения к приращению тока нагрузки при неизменном напряжении :

1.3.Статическая ошибка стабилизатора по нагрузке при и изменяющимся токе нагрузки, может быть использована вместо ri:

1.4.В некоторых случаях качество стабилизации оценивается процентным измерением выходного напряжения от всех дестабилизирующих факторов:

1.5.Коэффициент сглаживания пульсаций

где , - амплитуды пульсаций входного и выходного напряжений стабилизатора соотвественно.

1.4. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) равен отношению приращения выходного напряжения к приращению температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и токе нагрузки (, =const):

2. Качественные параметры параметрических и компенсационных стабилизаторов

постоянного тока.

2.1. Коэффициент стабилизации стабилизатора тока по входному напряжению:

где , - ток и его приращение в нагрузке соответственно. определяется при постоянном сопротивлении нагрузки (=const).

2.2. Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки

где , - сопротивление нагрузки и его приращение соответственно; - внутреннее сопротивление стабилизатора. Коэффициент - определяется при постоянном входном

напряжении (=const)

2.2. Температурный коэффициент стабилизатора

3. Энергетические параметры стабилизаторов постоянного напряжения и тока.

3.1 Коэффициент полезного действия равен отношению активной мощности, отдаваемой стабилизатором в нагрузку, к активной мощности, потребляемой от сети:

4

На рис. 2. изображены вольт – амперные характеристики стабилитрона 1 и нагрузки 2. Так как сопротивление нагрузки и стабилитрон включены параллельно (см.

Полученная суммарная кривая (3) представляет собой зависимость Uвых f (Iн Iст ) . Рабочий участок этой кривой получается, как видно из построения, смещением вниз точек характеристики стабилитрона на величину тока нагрузки Iн . Отложив на оси ординат входное напряжение Uвх , строим из этой точки характеристику резистора R г (прямая

4). Точка пересечения характеристик (4) и (3) определяет установившийся режим для данного входного напряжения. При изменении входного напряжения характеристика сопротивления R г (4) перемещается и, соответственно, сдвигает рабочую точку на

суммарной характеристике Uвых f (Iн Iст ) .

5

Как видно из графиков, представленных на рис. 5.3., при изменении входного напряжения от Uвх min до Uвых max напряжение на нагрузке изменяется от Uвых min до Uвых max , причем изменение выходного напряжения значительно меньше изменения

напряжения на входе.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению выходного напряжения стабилизатора, что характеризуется его ТКН ( γ ). В свою очередь γ зависит

применяемого в схеме.

Для уменьшения γ в некоторых случаях применяют температурную компенсацию,

включая последовательно со стабилитроном термозависимые элементы или диоды. ТКН этих элементов должен иметь знак, противоположный знаку ТКН стабилизации стабилитрона.

На схеме рис. 1. в качестве компенсирующего элемента используется обычный диод VD2 или стабилитрон, включенный в прямом направлении. Такая температурная компенсация применяется для стабилитронов, имеющих положительный температурный коэффициент. ТКН диода или стабилитрона, включенного в прямом направлении, отрицательный. При изменении окружающей температуры (например, увеличении) напряжение на стабилитроне возрастает, а на диоде падает, в результате суммарное напряжение изменяется незначительно.

3.4. Компенсационные стабилизаторы.

Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия могут быть выполнены как с последовательным (см. рис. 3. а), так и с параллельным (см. рис. 3. б) включением регулирующего элемента относительно нагрузки.

–гасящее сопротивление, RH– нагрузка.

Вданных стабилизаторах любые изменения выходного напряжения в схеме

сравнения СС сравниваются с опорным (эталонным) напряжением. При этом сигнал рассогласования с выхода СС через УПТ поступает на регулирующий элемент РЭ . В схеме с последовательным включением РЭ компенсация осуществляется за счет изменения падения напряжения на самом регулирующем элементе. В схеме с параллельным включением РЭ поддержание уровня выходного напряжения

6

осуществляется за счет изменения тока в нем, в результате чего изменяется падение напряжения на R г , включенном последовательно с нагрузкой.

Принципиальная схема стабилизатора с последовательным включением регулирующего транзистора и нагрузки приведена на рис 4. Транзистор T1 выполняет функцию регулирующего элемента РЭ, автоматически поддерживающего напряжение на нагрузке Rн с заданной степенью точности. Транзистор T2 выполняет функцию усилителя постоянного тока УПТ, который усиливает разность части выходного Uвых опорного Uоп напряжений. Опорным напряжением является напряжение стабилитрона Д1, который

Рис. 4. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения с последовательным включением регулирующего элемента.

Стабилизация напряжения Uвых на нагрузке осуществляется следующим образом. Допустим, что в результате увеличения входного напряжения Uвх или уменьшения тока нагрузки Iн (а результате увеличения сопротивления нагрузки Rн) напряжение на выходе стабилизатора Uвых начинает увеличиваться. При этом возрастает падение напряжения на резисторе R4 следящего делителя и потенциал базы транзистора T2 относительно общей точки схемы увеличивается. Потенциал эмиттера транзистора T2 относительно общей точки остается практически неизменным, так как он определяется опорным напряжением Uоп. В результате к переходу эмиттер-база прикладывается разность напряжений UR4 и Uоп, которая равна изменению напряжения на резисторе R4, т.е. ∆ UR4. Коллекторный ток Iк.у. транзистора T2 увеличивается, и падение напряжения на резисторе R1 возрастает. Через резистор R1 протекают токи коллектора транзистора T2 Iк.у. и ток базы транзистора T1 Iб.р. Для увеличения коэффициента стабилизации по напряжению Kст.н необходимо обеспечить такой режим работы, чтобы ток коллектора Iк.у был много больше тока базы регулирующего транзистора Iб.р: Iк.у >> Iб.р. Тогда падение напряжения на резисторе R1 будет определятся в основном током коллектора УПТ Iк.у, а изменение тока базы T1 Iб.р будет зависит от падения напряжения на резисторе R1.

На практике бывает достаточно обеспечить выполнение неравенства

Iк.у >10 Iб.р.

При увеличении Iк.у и падения напряжения на R1 потенциал коллектора T2, а следовательно, и потенциал базы транзистора T1 уменьшаются относительно общей точки

7

(становятся менее положительными). Ток базы транзистора T1 уменьшится, сопротивление его перехода коллектор-эмиттер постоянному току увеличится, падение напряжения на этом переходе возрастает и компенсирует увеличение напряжения на выходе стабилизатора. Напряжение на выходе стабилизатора (на сопротивлении нагрузки) изменяется незначительно по сравнению с его значением, которое было до появления возмущения на выходе стабилизатора. Но выходное напряжение стабилизатора всегда имеет некоторое остаточное отклонение, напряжение не возвращается точно к прежнему значению. Остаточное отклонение зависит от чувствительности цепи обратной связи и является мерой статической точности системы автоматического регулирования.

При уменьшении входного напряжения или увеличения тока нагрузки стабилизатор работает аналогично.

В установившемся режиме при отсутствии возмущения работа стабилизатора напряжения описывается соотношениями:

Uвх= Uвых + Uк.р ;

Iвх= Iн + Iд + Iст ;

Uоп =δ Uвых ,

где Uк.р – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора T1, являющегося резистором;

Iд – ток через следящий делитель: Iд =(5 - 10 %) Iн;

Iст – среднее значение тока через стабилитрон Д1. Величина Iст определяется

соотношением (Iст.мин + Iст.макс)/2;

δ – коэффициент деления следящего делителя:

δ = R4/( R3 + R4).

На регулирующем транзисторе рассеивается мощность Pк..р. Величина этой мощности в процессе работы стабилизатора все время изменяется, поддерживая неизменное значение мощности в нагрузке при R=const величина мощности, рассеиваемой на регулирующем транзисторе.

Схема компенсационного стабилизатора с последовательным включением РЭ обладает высоким коэффициентом стабилизации и низкими входным сопротивлением и δ% только при малом токе нагрузки, не превышающем 1,0-10 мА. При большем токе нагрузки показатели качества заметно ухудшаются из-за невыполнения условий неравенства Iк.у >10 Iб.р. Для расширения диапазона нагрузки компенсационного стабилизатора до единиц ампер и более в качестве регулирующего элемента применяют составной транзистор, схема которого приведена на рисунке 5.

T1

КЭ

T2

Б

Рис 5. Составной регулирующий элемент, состоящий их двух транзисторов (схема Дарлингтона).

8

Составной регулирующий элемент, выполненный на транзисторах одного типа проводимости, обладает коэффициентом усиления по току в схемах с общим эмиттером h21э равным произведению коэффициентов усиления по току каждого из транзисторов:

где n – число транзисторов, образующих составной транзистор. Значение коэффициента усиления по току составного регулятора h21э может достигать несколько тысяч, что обеспечивает выполнение условия, выражаемого соотношением Iк.у >10 Iб.р при больших токах нагрузки.

4.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

4.1.ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА.

Соберите схему как показано на рис. 5. Внимательно проверьте правильность

соединения.

PV1 PA1

V A

Рис. 5 Схема для исследования параметрического стабилизатора.

1. Для снятия нагрузочной характеристики Uвых=f(Uвх) переключатель нагрузки «Rгрубо» установить в положении «4». С помощью переключателя «Вкл» включите стенд, а затем включите источник постоянного питания (ИПН).

Изменяя напряжение источника постоянного напряжения от минимального значения 5В до 18 В, снять зависимость Uвых от Uвх. Результаты измерений занести в Таблицу 1. Таблица 1

Uвых, В

Iвх,mA

Iвых,mA

По результатам измерений произвести расчет коэфициента стабилизации Kст. Uвых находится как разность выходного напряжения при Uвх=18 В и выходного напряжения при Uвх= 6 В. За номинальное значение Uвых ном следует принимать значение Uвых, соответствующее Uвх=12 В. Коэффициент рассчитывается по формуле:

9

Соответственно Uвх= Uвх макс - Uвх мин.

По результатам измерений построить зависимость Uвых=f(Uвх).

2. Для снятия внешней характеристики Uн=f(Iн) напряжение источника постоянного напряжения следует установить соответствующее номинальному Uвх=12 В. Изменяя ток нагрузки с помощью регулятора нагрузки «Rгрубо» снимаем показания тока и напряжения. Результаты заносим в Таблицу 2.

Таблица 2.

По результатам измерений определить внутреннее сопротивление стабилизатора Rст, Ом

где Uн1 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки Iвых МИН, В; Uн2 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки Iвых МАКС , В;

Iн= Iн МАКС – Iн МИН, А.

По результатам измерений построить зависимость Uн=f(Iн).

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫМ ТРАНЗИСТОРОМ

Соберите схему как показано на рис. 6. Внимательно проверьте правильность соединения.

PV1 PA1

V A

Рис 6 Схема для исследования пассивного компенсационного стабилизатора с последовательным регулирующим транзистором.

10