Лабораторная работа № 4 исследование стабилизаторов постоянного напряжения и тока

Цель работы: изучение устройства, принципа действия и исследование характеристик компенсационного стабилизатора постоянного напряжения и стабилизатора тока.

Общие сведения

Стабилизатором называют устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью напряжение или ток в нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки в обусловленных пределах.

Основным параметром стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации напряжения, а стабилизатора тока - коэффициент стабилизации тока

K_{ст U}=; K_{ст I}= при R_н=const,

где U_вх, U_вых, I_вых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора и номинальный ток нагрузки;

U_вх, U_вых,  I_вых - изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора и изменение тока нагрузки.

Влияние нагрузки R_н оценивается по внешним характеристикам U_вых(I_вых) и I_вых(R_н) или выходным (внутренним) сопротивлением стабилизатора

R_вых=приU_вх=const.

Для стабилизатора напряжения R_вых  R_н, а для стабилизатора тока - R_выхR_н.

Применяют два типа стабилизаторов: параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), обеспечивающие постоянство напряжения при значительных изменениях тока для стабилизаторов напряжения и постоянство тока при изменении напряжения в стабилизаторах тока. Такими элементами могут быть стабилитроны, бареттеры или транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы напряжения имеют большие коэффициенты стабилизации и меньшее R_вых при более высоком КПД. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис.6.1. Стабилизатор состоит из источника эталонного напряжения (1), измерительного элемента (2) и регулирующего элемента (3).

На входы измерительного элемента подаются эталонное напряжение U₀ и U_вых. Если U_вых не равно U₀ появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулирующего элемента. Под действием этого сигнала падение напряжения на регулирующем элементе меняется таким образом, чтобы U_вых оставалось постоянным

U_вых=U_вх-U=const.

В качестве источника эталонного напряжения чаще всего используется стабилитрон, а роль регулирующего элемента выполняет транзистор или составной транзистор. В большинстве современных стабилизаторов измерительный элемент выполняется на операционном усилителе.

В работе предлагается исследовать компенсационный стабилизатор на транзисторе, схема которого показана на рис.6.2. Источник эталонного напряжения выполнен на стабилитроне VD, режим которого задается резистором R₂. Транзистор VT2 выполняет роль измерительного элемента. Изменение U_вых приводит к изменению I_б2 и соответственно к изменению I_к2. Изменение I_к2 вызывает противоположное изменение I_б1, так что U_вых= U_вх-U_кэ1 остается практически неизменным.

K_{cm U}=h₂₁/(h₁₁+R₁); R_вых=.

Внастоящее время широко применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Например, микросхема К142ЕН1 представляет собой регулируемый стабилизатор с выходным напряжением 3-12 В на ток до 150 мА. В схеме предусмотрена защита от перегрузки и коротких замыканий на выходе.

Схема исследуемого стабилизатора тока показана на рис.6.3. На базе транзистораVT поддерживается постоянный потенциал, задаваемый параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD. Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь транзистора VT, который работает по схеме ОБ, где I_к=I_э.

Ток эмиттера I_э определяется напряжением U_эб=U₀-R₂I_э

Благодаря этому устанавливается режим работы

I_э=(U₀-U_эб)/R₂=const

У современных транзисторов 1, таким образом, получается устройство, выходной ток которого I_вых=I_кI_э, не зависит от R_н, а определяется только U₀ и R₂. Режим стабилизации поддерживается до тех пор, пока транзистор VT работает в активном режиме, т.е. U_вхU+I_выхR_н, где U - напряжение насыщения транзистора.

Отсюда максимальное значение сопротивления нагрузки, при котором сохраняется рабочий режим стабилизатора

R_{н max}=.

Коэффициент стабилизации тока

K_ст=I_вых/(U_вхh₂₂).

Выходное сопротивление стабилизатора

R_вых=.