В.П. Золотов, и.В. Воронцов

электроника НА MULTISIM

Лабораторный практикум

Самара

Самарский государственный технический университет

2012

МИНОБРНАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Вычислительная техника»

В.П. ЗОЛОТОВ, И.В. ВОРОНЦОВ

электроника НА MULTISIM

Лабораторный практикум

Самара

Самарский государственный технический университет

2012

УДК 681.324

З …

Р е ц е н з е н т: проф. кафедры «Автоматическое управление технических систем», докт. техн. наук В.Н. Митрошин

Золотов В.П., Воронцов И.В.

З … Электроника на Multisim: лабораторный практикум / В.П. Золотов, И.В. Воронцов. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. – 73 с.: ил.

Рассмотрены вопросы построения широкого круга электронных схем: освещена работа параметрического стабилизатора, достаточно подробно изложена теория работы основных электронных устройств на базе операционных усилителей, генератора на интегральной микросхеме, пассивных и активных фильтров, некоторых логических элементов. Изложена методика проведения лабораторных занятий, приведены контрольные вопросы для оценки качества усвоения материала.

Работы проводятся в программной оболочке Multisim 10 Корпорации Electronics Workbench.

Предназначен для студентов направления 230100 «Информатика и вычислительная техника» всех форм обучения и ряда других специальностей, ориентированных на углубленное знание курса электроники.

УДК 681.324

З …

© В.П. Золотов, И.В. Воронцов, 2012

© Самарский государственный технический университет, 2012

Лабораторная работа №1 Исследование стабилизаторов напряжения и блокОв питания

Цель работы –приобретение навыков в расчете и экспериментальном исследовании стабилизаторов напряжения и блоков питания электронных устройств.

Краткая теория

Выходное напряжение выпрямительных схем источников электропитания может иметь недопустимо большие пульсации и зависеть от колебаний напряжения сети и от изменения нагрузки. Для ослабления влияния этих факторов используют стабилизаторы напряжения, в простейшем случае так называемые параметрические стабилизаторы. В схемах стабилизаторов обязательно наличие некоторогоопорного(эталонного) напряжения. В качестве источника такого напряжения обычно применяютстабилитроны. Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рис. 1.1,а.

Рис. 1.1. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

В стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на p-n-переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Участок 1-2 на рис. 1.1,аявляетсярабочим участкомвольтамперной характеристики стабилитрона. При снятии характеристики стабилитрона бывает удобно по горизонтальной оси откладывать ток через стабилитрон, как это показано на рис. 1.1,б.

Основным параметром прибора является напряжение стабилизации U_ст, обычно сопровождаемое указанием тока I_ст, при котором оно измерено. На рис. 1.1, б этому соответствует U_{ст тест} при токе I_{ст тест}. Нередко этой точке соответствует минимальная температурная зависимость напряжения стабилизации. Точке 1 соответствует минимальный ток стабилитрона I_{ст. мин}, при котором наступает пробой и, собственно, с которой начинается стабилизация. Обычно эта величина для маломощных приборов составляет 8-10 мА. Точке 2 соответствует максимальный ток стабилитрона I_{ст. мак}, достижение которого еще не приводит к тепловому пробою p-n-перехода. В зависимости от типа стабилитрона величина I_{ст. мак} может быть от миллиампер до 1,5 А.

Параметром, определяющим наклон рабочего участка характеристики, является динамическое сопротивление стабилитрона

r_д = (U₂ – U₁) / (I₂ – I₁) = ΔU_ст / ΔI_ст. (1.1)

Эта величина для низковольтных стабилитронов находится в пределах 1…30 Ом, а для высоковольтных – 18…300 Ом.

С использованием стабилитрона строятся параметрическиестабилизаторы напряжения. Схема такого стабилизатора приведена на рис. 1.2. Она состоит из добавочного сопротивленияR₁и стабилитронаVD. Выходное напряжениеU_выхна нагрузкеR_нсовпадает с напряжением стабилизацииU_ст стабилитрона. Особенность этой схемы состоит в том, что при колебаниях входного напряжения за счет изменения тока через стабилитрон изменяется только падение напряжения на добавочном резистореR₁, оставляя неизменным выходное напряжение. При этомI_н < I_ст .

Рис. 1.2. Параметрический стабилизатор

Техническое задание на проектирование стабилизатора может быть поставлено по-разному. В лабораторной работе исходными данными для расчета стабилизатора напряжения являются:

1) выходное стабилизированное напряжение U_ст = U_вых;

2) номинальное значение тока нагрузки I_н, а следовательно, и сопротивление нагрузки R_н;

3) относительные отклонения δ₊ и δ_– входного напряжения стабилизатора от номинального значения U_{вх ном} и сопротивления R_н.

Приведем основные соотношения, необходимые для расчета стабилизатора. На основании законов Кирхгофа

I = I_ст + I_н; (1.2)

U_вх = I*R₁ + U_вых. (1.3)

Отсюда для тока стабилитрона можно получить

I_ст = (U_вх – U_вых) / R₁ – U_вых / R_н. (1.4)

В условиях нормальной работы стабилизатора напряжение на нагрузке U_вых = U_ст изменяется незначительно, так что для простоты можно считать его постоянным. Тогда I_ст будет изменяться только от изменения U_вх и сопротивления нагрузки R_н.

Расчет стабилизатора фактически сводится к определению номинального значения входного напряжения U_вх и выбору сопротивления R₁ так, чтобы при наихудших условиях ток через стабилитрон не становился меньше минимального и больше максимального:

I_{ст. мин} <= I_ст <= I_{ст. макс.} (1.5)

Номинальное значение напряжения питания стабилизатора U_{вх ном} (обычно это напряжение выпрямителя) вычисляется по формуле

.(1.6)

Если знаменатель получается отрицательным, то необходимо уменьшить пределы нестабильности входного напряжения или/и диапазон изменения тока нагрузки, или использовать стабилитрон с большим I_{ст мак}.

Сопротивление резистора R₁ вычисляют по формуле

. (1.7)

Максимальные мощности, рассеиваемые резистором и стабилитроном, рассчитывают по формулам

; (1.8)

P_{ст мак} = U_вых*I_{ст. мак} . (1.9)

Показателем качества стабилизации напряжения служит коэффициент стабилизации K_ст, показывающий, во сколько раз относительное приращение входного напряжения больше соответствующего относительного приращения выходного напряжения:

K_ст =δU_{вх /} δU_вых = (ΔU_вх / U_{вх ном}) _/ (ΔU_вых / U_{вых ном}). (1.10)

Если известно динамическое сопротивление стабилитрона, то коэффициент стабилизации можно вычислить по формуле

. (1.11)

Коэффициент сглаживания пульсаций, обеспечиваемый параметриче­ским стабилизатором, близок к K_ст.

В общем случае значения коэффициента стабилизации различны на каждом участке характеристики стабилизатора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора обычно не превышает 50…80.

Выходное сопротивление стабилизатора рассматриваемого типа

R_вых = r_д || R₁ ≈ r_д . (1.12)

Если требуется определить выходное сопротивление некоторого электронного устройства, например, блока питания с неизвестными внутренней схемой и номиналами элементов, то прибегают к методу испытания в режиме холостого хода. Вначале измеряется номинальное выходное напряжение U_ном схемы при заданном токе нагрузки, а затем в режиме холостого хода при отключенной нагрузке также измеряется выходное напряжение U_хх. Разность этих величин определяет падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, а деление разности на номинальный ток нагрузки определяет величину внутреннего сопротивления.

Параметры стабилизатора можно улучшить, если для обеспечения постоянства выходного напряжения включить между входным напряжением и сопротивлением нагрузки какой-нибудь элемент с регулируемым сопротивлением. Устроенные таким образом стабилизаторы называют последовательными стабилизаторами.

Рис. 1.3. Схемы последовательных стабилизаторов и нерегулируемым (а) с регулируемым (б) выходным напряжением

Простейшим последовательным стабилизатором напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения, как это показано на рис. 1.3, а. Из рис. 1.3, а видно, что выходное напряжение U_вых определяется выражением

U_вых = U_ст – U_бэ. (1.13)

Следовательно, в этой схеме выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер открытого транзистора (около 0,5…0,7 В). Из-за наличия отрицательной обратной связи по напряжению выходное сопротивление стабилизатора мало и составляет доли Ом.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, то на базу следует подавать часть опорного напряжения, снимаемого с движка потенциометра, как это показано на рис. 1.3, б. Сопротивление потенциометра обычно в 2…5 раз больше, чем R₁.