Лабораторная работа № 3 исследование параметрического стабилизатора на стабилитроне

Цель работы: изучение свойств параметрического стабилизатора

Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.

Время выполнения 2 часа

1. Теоретическая часть

В параметрических стабилизаторах используются нелинейные элементы, напряжения на которых в пределах некоторого участка вольт-амперной характеристики не зависит от тока, протекающего через элемент. Такую вольт-амперную характеристику имеет полупроводниковый стабилитрон. На рис.1 приведена вольт-амперная характеристика стабилитрона. Прямая ветвь характеристики стабилитрона (U_АК>0) такая же, как и у обычного диода и особого интереса не представляет. Для стабилизации напряжения используется обратная ветвь (U_АК < 0) характеристики стабилитрона. При достижении некоторого отрицательного напряжения U_АК происходит пробой стабилитрона и в пределах изменения тока от I_min до I_max напряжение на стабилитроне практически остается неизменным. Это напряжение называется напряжением стабилизации U_ст. При превышении тока I_max стабилитрон выходит из строя. Изменение напряжения стабилитрона при изменении тока через него характеризуется динамическим сопротивлением стабилитрона r_ст =U_ст/I_ст. Стабилитроны выпускаются на различные номинальные напряжения стабилизации и мощности. Параметры стабилитронов малой мощности приведены в таблице 1.

На рис.2. приведена схема параметрического стабилизатора. Обратите внимание на включение стабилитрона: катод подключается к плюсу источника входного напряжения, а анод к минусу. Нагрузка подключается параллельно стабилитрону. Напряжение на нагрузке будет равно напряжению стабилизации U_ст стабилитрона пока ток стабилитрона находится между I_min и I_max.

Допустим, что ток стабилитрона равен

I_ст = (I_{ст max} +I_{ст min})/2.

При увеличении входного напряжения увеличивается ток через балластное сопротивление R_б. Ток нагрузки остается неизменным, так как напряжение на нем не меняется, оно остается равным U_ст. Изменяется (увеличивается в нашем случае) ток стабилитрона.

При изменении сопротивления нагрузки, например при уменьшении R_н, увеличивается ток нагрузки за счет уменьшения тока стабилитрона. Напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на нагрузке, остается практически неизменным.

При холостом ходе весь ток нагрузки протекает через стабилитрон и может вывести прибор из строя - это надо учитывать при расчете схемы.

Резистор R_б ограничивает величину тока стабилитрона и определяет стабильность выходного напряжения. С ростом R_б увеличивается коэффициент стабилизации, но падает к.п.д. схемы.

Величина резистора R_б выбирается из условия

,

где I_ст = (I_{ст max} +I_{ст min})/2 - ток стабилитрона, I_{ст max}, I_{ст min} – максимальный и минимальный токи стабилитрона в режиме стабилизации.

Параметрический стабилизатор на стабилитроне имеет ряд недостатков, которые ограничивают его применение:

1. Выходное напряжение нельзя отрегулировать или установить на заданное напряжение.

2. Стабилитроны имеют конечное динамическое сопротивление, следовательно, они не всегда достаточно хорошо сглаживают пульсации входного напряжения и влияние изменения нагрузки.

3. При широком диапазоне изменения токов нагрузки приходится выбирать диод с большой мощностью рассеяния, так как при малом токе нагрузки, через стабилитрон протекает большой ток и он рассеивает большую мощность.

Параметрический стабилизатор на стабилитроне используют в схемах, где потребляемый ток небольшой, например, для задания опорных напряжений.

Уменьшить ток стабилитрона, а, следовательно, и рассеиваемую мощность, можно с помощью эмиттерного повторителя. Такая схема показана на рис.3а. Опорное напряжение со стабилитрона подается на базу транзистора. Выходное напряжение будет меньше опорного на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер, т.е. на 0,6 В. Ток стабилитрона почти не зависит от тока нагрузки, из-за малого тока базы транзистора. Резистор R_к предохраняет транзистор от короткого замыкания нагрузки за счет ограничения тока. Величина резистора R_к выбирается таким, чтобы падение напряжения на нем было меньше, чем на резисторе R_б, иначе транзистор перейдет в режим насыщения.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, а это может понадобиться для более точной установки напряжения на нагрузке, то опорное напряжение на базу транзистора подается с выхода потенциометра, как показано на рис.3б. Сопротивление потенциометра должно быть мало по сравнению с величиной r_бэ, чтобы не повышать выходное сопротивление стабилизатора.