2011_3967

и предельного максимального значения сопротивления балластного резистора

Используя выражения (4.1)–(4.3), определяют U1 и Rб , а затем вычисляют предельно возможный рабочий ток через стабилитрон

Коэффициент стабилизации выходного напряжения по входному напряжению при линейной аппроксимации ВАХ стабилитрона равен

где rст – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Из выражения (4.7) видно, что с увеличением Rб коэффициент стабилизации возрастает. Однако увеличение Rб требует одновременного повышения напряжения питания U1 , а это не всегда

целесообразно, так как снижается КПД схемы. Выходное сопротивление данного стабилизатора

где Rи – внутреннее сопротивление источника напряжения U1 . Температурная нестабильность выходного напряжения

где αст – температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона; ∆T – интервал рабочих температур стабилизатора.

2.3.2. Транзисторный стабилизатор

Максимальная выходная мощность диодного стабилизатора зависит от значений Iст.max и Pст.max стабилитрона. Область при-

менения таких стабилизаторов по мощности можно расширить, если использовать усилитель тока на транзисторе (рис. 4.4). Эта схема работает следующим образом. При возрастании по какой-

либо причине напряжения U1 происходит увеличение напряже-

ния U2 и напряжения Uбэ , так как U2 =Uст +Uбэ , а Uст const . Возрастание Uбэ вызывает рост коллекторного тока Iк , что при-

водит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе, а это компенсирует начальное возрастание U1 . Так как при

работе транзистора в активной области ток коллектора ( Iк Iэ ) экспоненциально зависит от напряжения Uбэ , то изменение Iк , необходимое для компенсации ∆U1 , будет сопровождаться малым изменением напряжения Uбэ . Таким образом, и ∆U2 будет небольшим.

R

Рис. 4.4. Схема стабилизатора параллельного типа

Поскольку ток нагрузки диодного стабилизатора Д-R (рис. 4.4) является базовым током управляющего транзистора, то ток нагрузки транзисторного стабилизатора может быть в β раз

больше, чем у схемы диодного стабилизатора.

42

Рассматривая схему как линейную, можно показать, что

где rэ и rб – соответственно сопротивление эмиттера и базы

транзистора.

Сопротивление эмиттера транзистора существенно зависит от эмиттерного тока, который, в свою очередь, определяется током нагрузки. С уменьшением эмиттерного тока выходное сопротивление стабилизатора увеличивается, что приводит к ухудшению

стабилизирующих свойств схемы. Уменьшать rэ можно, приме-

няя более мощный транзистор и увеличивая ток эмиттера. Заметим, что последнее приводит к ухудшению КПД схемы.

2.4. Последовательные стабилизаторы напряжения

На рис. 4.5 показана схема стабилизатора последовательного типа (регулирующий транзистор включён последовательно с нагрузкой), который представляет собой эмиттерный повторитель. Источником опорного напряжения в этой схеме является стабилитрон Д. Выходное напряжение стабилизатора

U2 =Uст −Uбэ .

Рис. 4.5. Схема стабилизатора последовательного типа Схема работает следующим образом. При возрастании по ка-

43

кой-либо причине выходного напряжения (возрастает U1 или увеличится Rн ), происходит уменьшение отпирающего напряжения Uбэ транзистора (считаем, что падение напряжения на стаби-

литроне изменяется мало), что уменьшает ток эмиттера, в результате выходное напряжение U2 = IнRн изменяется мало. Коэффи-

циент стабилизации схемы в линейном приближении равен

Выходное сопротивление такой схемы определяется выраже-

нием (4.11).

Таким образом, у этой схемы и Kст и Rвых с увеличением тока

эмиттера или, что то же, с увеличением тока нагрузки уменьшается. Схема такого стабилизатора на практике применяется чаще, чем схема с параллельным включением регулирующего транзистора, так как она имеет больший КПД и позволяет использовать менее мощный транзистор. К недостаткам однокаскадных транзисторных схем следует отнести сравнительно высокое выходное сопротивление.

В двухкаскадном стабилизаторе последовательного типа (рис. 4.6а) транзистор Т1 является регулирующим, а транзистор Т2 – сравнивающим и усиливающим. Источником опорного напряжения является стабилитрон. При увеличении выходного напряже-

ния сигнал ошибки U2 −Uст =Uбэ воздействует на вход транзистора Т2 (напряжение Uст считается постоянным), вызывая увеличение тока Iк2 . Это приводит к уменьшению базового и эмит-

терного тока транзистора Т1. В свою очередь, уменьшение эмиттерного тока Т1 приводит к уменьшению U2 .

Обычно минимальный рабочий ток стабилитрона больше тока базы транзистора Т2, поэтому вводят дополнительную токопро-

водящую цепь через R1 (на рис. 4.6а эта цепь показана пункти-

ром). Чтобы избежать применения токопроводящей цепи, стабилитрон можно включить не в базовую, а в эми ттерную цепь уси-

44

лительного транзистора (рис. 4.6б).

Рис. 4.6а. Двухкаскадный стабилизатор последовательного типа

Д

Рис. 4.6б. Двухкаскадный стабилизатор последовательного типа со стабилитроном в цепи эмиттера

Анализ двухкаскадного стабилизатора удобно проводить, рассматривая обобщённую схему рис. 4.7.

Рис. 4.7. Обобщённая схема двухкаскадного стабилизатора

В ней учтено, что на рабочем участке стабилитрон можно представить резистором, номинал которого равен дифференциальному сопротивлению стабилитрона. Используя обобщённые

45

матричные методы анализа, можно показать, что коэффициент стабилизации выходного напряжения обобщённой схемы рис. 4.7

здесь Rвх.T2 = rб2 +(1+β2)(rэ2 + R3) .

При выводе выражения (4.13) учтено, что для стабилизаторов

здесь Rвх.T1 rб1 +(rэ1 + Rвх.T2 || R2) (1+β1) .

Как видно из выражений (4.13) и (4.14), повышение эффективности работы двухкаскадных последовательных стабилизаторов

напряжения может быть достигнуто за счёт уменьшения R1 , R3 и

увеличения R . Заметим, что, изменяя коэффициент деления делителя R1 , R2 , можно изменять величину номинального выход-

ного напряжения.

3.ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Вработе исследуются схемы диодного (рис. 4.3) и транзисторного (рис. 4.4) стабилизаторов параллельного типа, а также однокаскадная (рис. 4.5) и две двухкаскадные (рис. 4.8а и 4.8б) схемы стабилизаторов напряжения последовательного типа.

На лицевой панели стенда находятся два вольтметра, позволя-

ющие измерять входное U1 и выходное U2 напряжения исследуе-

мых стабилизаторов; амперметры, позволяющие измерять входной I1 и выходной Iн токи стабилизаторов, а также ручки управления:

«U1 », позволяющая устанавливать необходимое входное напряже-

ние; «схемы», при помощи которой к измерительной цепи подключается исследуемая схема стабилизатора; « Rн », с помощью кото-

рой изменяется сопротивление нагрузки исследуемого стабилизатора, и две ручки « R », с помощью которых можно дискретно из-

46

менять Rб в схеме параллельного диодного стабилизатора и R в

схемах транзисторных стабилизаторов на величину ( n1 ×10 + n2 ×100 ) Ом (здесь n1 и n2 определяются соответственно

положением левой и правой ручки переключателя « R »).

Рис. 4.8а. Двухкаскадный стабилизатор последовательного типа

Рис. 4.8б. Двухкаскадный стабилизатор последовательного типа со стабилитроном в цепи эмиттера

При постановке переключателя «схемы» в положение 1 измерительные приборы подключаются к схеме диодного параллельного стабилизатора напряжения, показанного на рис. 4.3. Пере-

ключатель « R » в данном случае позволяет устанавливать необходимое значение балластного сопротивления Rб (см. рис. 4.3) в пре-

делах от 282 до 872 Ом через 10 Ом( Rб = 282 + n1 ×10 + n2 ×100 ). Резисторами « Rн » изменяется ток через нагрузку.

Во втором положении переключателя «схемы» подключается транзисторный параллельный стабилизатор (рис. 4.4) с Rб = 200

47

Ом. Переключателем « R » устанавливается необходимое сопротивление R (см. рис. 4.4) ( R =100 + n1 ×10 + n2 ×100 Ом).

В третьем положении переключателя «схемы» подключается схема транзисторного стабилизатора последовательного типа, показанная на рис. 4.5. В этом случае сопротивление

R = 282 + n1 ×10 + n2 ×100 Ом.

В четвёртом и пятом положениях переключателя «схемы» к измерительной цепи подключаются соответственно схемам, показан-

ным на рис. 4.8а и 4.8б. Для обеих схем R = n1 ×10 + n2 ×100 Ом.

Во всех схемах используется один и тот же стабилитрон Д814А. Стабилитроны этого типа имеют следующие электрические параметры:

4.ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

1.Рассчитать напряжение питания, сопротивление балластного резистора, Iст предельное и КПД параллельного диодного стаби-

лизатора. При расчёте использовать исходные данные, приведённые в таблице (U1 номинальное выбирать не больше 15.5 В).

2.Оценить Kст(U ) , Kст(I ) и Rвых диодного стабилизатора, рассчитанного в п.1.

3.Установить в схеме диодного параллельного стабилизатора

(первое положение переключателя «схемы») Rб , соответствую-

щее рассчитанному в п.1.

4. Снять зависимость U2 от U1 при Iн.max и Iн.min . По наклону характеристики в интервале от U1min до U1max определить

Kст(U ) . Значения Iн.max , Iн.min , U1 , a и b соответствуют п.1. 5. Определить КПД исследуемой схемы.

6. Снять зависимость изменения напряжения на нагрузке ∆U2

от тока нагрузки Iн при U1min и U1max . По наклону характери-

стики в интервале от Iн.min до Iн.max определить Rвых .

7. Подключить к измерительной цепи схему параллельного транзисторного стабилизатора и выполнить то же, что и в пп. 4-6, установив указанное преподавателем значение сопротивления R

(см. рис. 4.4). Для данной схемы принять Iн.max = 9 мА, Iн.min =1

мА, U1min =11 В, U1max =17 В.

8. Подключить к измерительной цепи схему однокаскадного последовательного транзисторного стабилизатора и выполнить то же, что и в пп. 4-6, установив значение сопротивления R (см. рис. 4.5),

равное Rб , рассчитанному в п.1. Для данной схемы принять

Iн.max = 7.7 мА, Iн.min =1 мА, U1min =11 В, U1max =17 В.

9. Подключить к измерительной цепи схему двухкаскадного последовательного стабилизатора, показанную на рис. 4.8а, и выполнить то же, что и в пп. 4-6, установив указанное преподавателем

значение сопротивления R . Для данной схемы принять Iн.max = 9

мА, Iн.min =1 мА, U1min =11 В, U1max =17 В.

10. Подключить к измерительной цепи схему двухкаскадного последовательного стабилизатора, показанную на рис. 4.8б, и выполнить то же, что и в пп. 4-6, установив указанное преподавателем значение сопротивления R . Для данной схемы принять

Iн.max = 9 мА, Iн.min =1 мА, U1min =11 В, U1max =17 В.

49

5.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

1.Исходные данные и расчёт диодного стабилизатора.

2.Расчётные значения Kст(U ) , Kст(I ) и Rвых значения диодно-

го стабилизатора.

3. Графики зависимостей U2 от U1 (отдельно при Iн.max и

Iн.min ).

4.Графики зависимости Kст(U ) от номера схемы исследуемого

стабилизатора при Iн.max и Iн.min .

5.График зависимости КПД от номера исследуемой схемы.

6.Графики зависимости изменения напряжения на нагрузке

∆U2 от тока через нагрузку (отдельно при U1min и U1max ).

7. Графики зависимости Rвых от номера исследуемой схемы

при U1min и U1max .

6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назовите основные электрические показатели стабилизато-

ров.

2.Нарисуйте структурные схемы стабилизаторов параллельного и последовательного типов и объясните принцип их действия.

3.Достоинства и недостатки параллельного и последовательного стабилизаторов.

4.Принцип действия параллельного диодного стабилизатора.

5.Назовите и поясните условия, которые необходимо обеспечить для того, чтобы параллельный диодный стабилизатор работал в области допустимых токов стабилитрона.

6.Принцип действия транзисторных стабилизаторов, исследуемых в данной работе.

7.Используя формулы (4.13) и (4.14) получить выражения для

Kст(U ) и Rвых схем, показанных на рис. 4.6а и 4.6б, считая, что в схеме рис. 4.6а резистор R1 отсутствует.

8. Какая из схем, показанных на рис. 4.6а и 4.6б, обладает бóльшим Kст(U ) и меньшим Rвых (считать, что в схеме рис. 4.6а

50