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.

^U рэ



РЭ

СС

УПТ

^URг

  ^{Rг Rн I}вх

I_н



_УПТ

^I

_СС

рэ _Rн

^Uвх

^U_н ^U вх

РЭ _{U н}

^а) б)

Рис. 3. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов с непрерывным регулированием последовательного (а) и параллельного (б) типов

На этих рисунках введены следующие обозначения: РЭ – регулирующий элемент непрерывного действия, УПТ – усилитель постоянного тока, СС – схема сравнения, R_г – гасящее сопротивление, R_H– нагрузка.

В данных 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

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 R_н с заданной степенью точности. Транзистор T₂ выполняет функцию усилителя постоянного тока УПТ, который усиливает разность части выходного U_вых опорного U_оп напряжений. Опорным напряжением является напряжение стабилитрона Д1, который совместно с резистором R₂ образует параметрический стабилизатор постоянного напряжения. Делитель напряжения R₃ R₄ выделяет часть выходного напряжения для сравнения его с опорным. Резистор R₁ является нагрузкой в цепи коллектора однокаскадного усилителя постоянного тока.

Iвх _T1

+

Д1

^Uоп

R4

8

Iку

вх

Iн

_С1 ^Uвых

T2

Iобр

R3

Iд

R2

Iст

R1

_U Rн

-

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

Стабилизация напряжения U_вых на нагрузке осуществляется следующим образом. Допустим, что в результате увеличения входного напряжения U_вх или уменьшения тока нагрузки I_н (а результате увеличения сопротивления нагрузки R_н) напряжение на выходе стабилизатора U_вых 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 U_оп. В результате к переходу эмиттер-база прикладывается разность напряжений U_R4 и U_оп, которая равна изменению напряжения на резисторе R₄, т.е. ∆ U_R4. Коллекторный ток I_к.у. транзистора T₂ увеличивается, и падение напряжения на резисторе R₁ возрастает. Через резистор R₁ протекают токи коллектора транзистора T₂ I_к.у. и ток базы транзистора T₁ I_б.р. Для увеличения коэффициента стабилизации по напряжению K_ст.н необходимо обеспечить такой режим работы, чтобы ток коллектора I_к.у был много больше тока базы регулирующего транзистора I_б.р: I_к.у >> I_б.р. Тогда падение напряжения на резисторе R₁ будет определятся в основном током коллектора УПТ I_к.у, а изменение тока базы T₁ I_б.р будет зависит от падения напряжения на резисторе R₁.

На практике бывает достаточно обеспечить выполнение неравенства

I_к.у >10 I_б.р.

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

(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^{= U}вых ^{+ U}к.р ^;

I_вх= I_н + I_д + I_ст ; U_оп =δ U_вых ,

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

I_д – ток через следящий делитель: I_д =(5 - 10 %) I_н;

I_ст – среднее значение тока через стабилитрон Д1. Величина I_ст определяется соотношением (I_ст.мин + I_{ст.макс})/2;

δ – коэффициент деления следящего делителя:

δ = R₄/( R3 + R4).

На регулирующем транзисторе рассеивается мощность P_к..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 I_к.у

>10 I_б.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

К

T₂

Э

Б

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

Составной регулирующий элемент, выполненный на транзисторах одного типа проводимости, обладает коэффициентом усиления по току в схемах с общим эмиттером h_21э равным произведению коэффициентов усиления по току каждого из транзисторов:

где n – число транзисторов, образующих составной транзистор. Значение коэффициента усиления по току составного регулятора h_21э может достигать несколько тысяч, что обеспечивает выполнение условия, выражаемого соотношением I_к.у >10 I_б.р при больших токах нагрузки.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

   1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА.

С

7

+5 В +20 В

-

5

6

1

V

2

PV2

R_н

VD1

3

+

6

PA2

A

4

4

R1

^{VT1 5}

1

ВКЛ

ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

^{V A}

PV1 PA1

оберите схему как показано на рис. 5. Внимательно проверьте правильность соединения.

Рис. 5 Схема для исследования параметрического стабилизатора.

1. Для снятия нагрузочной характеристики U_вых=f(U_вх) переключатель нагрузки «R_грубо» 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 U_вых от U_вх. Результаты измерений занести в Таблицу 1.

Таблица 1

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18	20
Uвых, В
Iвх,mA
Iвых,mA

По результатам измерений произвести расчет коэфициента стабилизации K_ст. U_вых находится как разность выходного напряжения при U_вх=18 В и выходного напряжения при U_вх= 6 В. За номинальное значение U_{вых ном} следует принимать значение U_вых, соответствующее U_вх=12 В. Коэффициент рассчитывается по формуле:

Соответственно U_вх= U_{вх макс} - U_{вх мин}.

По результатам измерений построить зависимость U_вых=f(U_вх).

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

Таблица 2.

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iн, mА
Uн, В

По результатам измерений определить внутреннее сопротивление стабилизатора Rст, Ом

^где U_н1 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МИН}, В; U_н2 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МАКС} , В; ^ΔIн^{= I}н МАКС ^{– I}н МИН^{, А.}

По результатам измерений построить зависимость U_н=f(I_н).

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫМ ТРАНЗИСТОРОМ

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

7

+5 В +20 В

-

5

6

1

V

2

PV2

R_н

VD1

3

+

6

PA2

A

4

4

R1

^{VT1 5}

1

ВКЛ

ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

^{V A}

PV1 PA1

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

1. Для снятия нагрузочной характеристики U_вых=f(U_вх) переключатель нагрузки «R_грубо» установить в положении «4». С помощью переключателя «Вкл» включите стенд, а затем включите ИПН.

Изменяя напряжение источника постоянного напряжения от минимального значения 5В до 18 В, снять зависимость U_вых от U_вх. Результаты измерений занести в Таблицу 3.

Таблица 3

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18
Uвых, В
Iвх,mA
Iвых,mA

По результатам измерений произвести расчет коэфициента стабилизации K_ст. U_вых находится как разность выходного напряжения при U_вх=18 В и выходного напряжения при U_вх= 6 В. За номинальное значение U_{вых ном} следует принимать значение U_вых, соответствующее U_вх=12 В. Коэффициент рассчитывается по формуле:

Соответственно U_вх= U_{вх макс} - U_{вх мин}.

По результатам измерений построить зависимость U_вых=f(U_вх).

2. Для снятия внешней характеристики U_н=f(I_н) напряжение источника постоянного напряжения следует установить соответствующее номинальному U_вх=12 В. Изменяя ток нагрузки с помощью регулятора нагрузки «R_грубо» снимаем показания тока и напряжения. Результаты заносим в Таблицу 4.

Таблица 4.

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iн, mА
Uн, В

По результатам измерений определить внутреннее сопротивление стабилизатора Rст, Ом

^где U_н1 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МИН}, В; U_н2 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МАКС} , В; ^ΔIн^{= I}н МАКС ^{– I}н МИН^{, А.}

По результатам измерений построить зависимость U_н=f(I_н).

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА С ПАРАЛЛЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫМ ТРАНЗИСТОРОМ

С

7

6

-

+5 В +20 В

V

5

^{2 2}

PV2

R_н

R2

VT1

+

6

PA2

A

4

5

VD1

4

3

¹ R1

ВКЛ

ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

^{V A}

PV1 PA1

оберите схему как показано на рис. 7. Внимательно проверьте правильность соединения.

Рис. 7 Схема для исследования пассивного компенсационного стабилизатора с параллельным регулирующим транзистором.

1. Для снятия нагрузочной характеристики U_вых=f(U_вх) переключатель нагрузки «R_грубо» установить в положении «4». С помощью переключателя «Вкл» включите стенд, а затем включите ИПН

Изменяя напряжение источника постоянного напряжения от минимального значения 5В до 18 В, снять зависимость U_вых от U_вх. Результаты измерений занести в Таблицу 5.

Таблица 5

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18
Uвых, В
Iвх,mA
Iвых,mA

По результатам измерений произвести расчет коэфициента стабилизации K_ст. U_вых находится как разность выходного напряжения при U_вх=18 В и выходного напряжения при U_вх= 6 В. За номинальное значение U_{вых ном} следует принимать значение U_вых, соответствующее U_вх=12 В. Коэффициент рассчитывается по формуле:

Соответственно U_вх= U_{вх макс} - U_{вх мин}.

По результатам измерений построить зависимость U_вых=f(U_вх).

2. Для снятия внешней характеристики U_н=f(I_н) напряжение источника постоянного напряжения следует установить соответствующее номинальному U_вх=12 В. Изменяя ток нагрузки с помощью регулятора нагрузки «R_грубо» снимаем показания тока и напряжения. Результаты заносим в Таблицу 6.

Таблица 6.

RН

ХХ

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

Iн, mА
Uн, В

По результатам измерений определить внутреннее сопротивление стабилизатора Rст, Ом

^где U_н1 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МИН}, В; U_н2 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МАКС} , В; ^ΔIн^{= I}н МАКС ^{– I}н МИН^{, А.}

По результатам измерений построить зависимость U_н=f(I_н).

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

С

5

R_н

6

PA2

A

4

R5

R6

3

4

ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

+

R3

5

VT2

R1

1

ВКЛ

VT1

R2

PV1 PA1

V A

2

7

VD2

6

R7

4

VD1

-

+5 В +20 В

V

5

PV2

С1 6

^{R4 7}

8

оберите схему как показано на рис. 8. Внимательно проверьте правильность соединения.

Рис. 8 Схема для исследования компенсационного стабилизатора с последовательным регулирующим транзистором и усилителем в цепи обратной связи.

1. Для снятия нагрузочной характеристики U_вых=f(U_вх) переключатель нагрузки «R_грубо» установить в положении «4». С помощью переключателя «Вкл» включите стенд, а затем включите ИПН.

Изменяя напряжение источника постоянного напряжения от минимального значения 5В до18 В, снять зависимость U_вых от U_вх. Результаты измерений занести в Таблицу 7.

Таблица 7

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18
Uвых, В
Iвх,mA
Iвых,mA

По результатам измерений произвести расчет коэфициента стабилизации K_ст. U_вых находится как разность выходного напряжения при U_вх=18 В и выходного напряжения при U_вх= 6 В. За номинальное значение U_{вых ном} следует принимать значение U_вых, соответствующее U_вх=16 В. Коэффициент рассчитывается по формуле:

Соответственно U_вх= U_{вх макс} - U_{вх мин}.

По результатам измерений построить зависимость U_вых=f(U_вх).

2. Для снятия внешней характеристики внешнюю U_н=f(I_н) напряжение источника постоянного напряжения следует установить соответствующее номинльному U_вх=16 В. Изменяя ток нагрузки с помощью регулятора нагрузки «R_грубо» снимаем показания тока и напряжения. Результаты заносим в Таблицу 8.

Таблица 8.

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iн, mА
Uн, В

По результатам измерений определить внутреннее сопротивление стабилизатора Rст, Ом

^где U_н1 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МИН}, В; U_н2 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МАКС} , В; ^ΔIн^{= I}н МАКС ^{– I}н МИН^{, А.}

По результатам измерений построить зависимость U_н=f(I_н).

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ КР142ЕН8Б.

Соберите схему как показано на рис. 8. Внимательно проверьте правильность соединения.

Р

КР142EH8Б

7

+5 В +20 В

-

5

4

V

3

2

PV2

R_н

+

6

PA2

A

4

3

1

ВКЛ

ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

^{V A}

PV1 PA1

ис. 9 Схема для исследования компенсационного интегрального стабилизатора напряжения

КР142ЕН8Б.

1. Для снятия нагрузочной характеристики U_вых=f(U_вх) переключатель нагрузки «R_грубо» установить в положении «4». С помощью переключателя «Вкл» включите стенд, а затем включить ИПН.

Изменяя напряжение источника постоянного напряжения от минимального значения 5В до максимального значения 18 В, снять зависимость U_вых от U_вх. Результаты измерений занести в Таблицу 9.

Таблица 9

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18	20
Uвых, В
Iвх,mA
Iвых,mA

По результатам измерений произвести расчет коэфициента стабилизации K_ст. U_вых находится как разность входного напряжения при U_вх=18 В и выходного напряжения при U_вх= 6 В. За номинальное значение U_{вых ном} следует принимать значение U_вых, соответствующее U_вх=16 В. Коэффициент рассчитывается по формуле:

Соответственно U_вх= U_{вх макс} - U_{вх мин}.

По результатам измерений построить зависимость U_вых=f(U_вх).

2. Для снятия внешней характеристики U_н=f(I_н) напряжение источника постоянного напряжения следует установить соответствующее номинальному U_вх=16 В. Изменяя ток нагрузки с помощью регулятора нагрузки «R_грубо» снимаем показания тока и напряжения. Результаты заносим в Таблицу 10.

Таблица 10.

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iн, mА
Uн, В

По результатам измерений определить внутреннее сопротивление стабилизатора Rст, Ом

^где U_н1 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МИН}, В; U_н2 – напряжение на нагрузке стабилизатора при токе нагрузки I_{вых МАКС} , В; ^ΔIн^{= I}н МАКС ^{– I}н МИН^{, А.}

По результатам измерений построить зависимость U_н=f(I_н).

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать: