ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 (ЛР 6)

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование и сравнение характеристик различных схемных решений стабилизаторов на дискретных элементах и стабили­затора в интегральном исполнении.

При выполнении лабораторной работы исследуются;

параметрический стабилизатор (на стабилитроне) (рис.6.1);

параметрический стабилизатор с полевым транзистором (рис.6.2);

параметрический стабилизатор с эмиттерным повторителем (рис.6.3);

компенсационный стабилизатор напряжения с последовательным регулирующим элементом (рис.6.6);

компенсационный стабилизатор напряжения с параллельным регу­лирующим элементом (рис.6.8);

стабилизатор напряжения в интегральном исполнении (рис.6.10). . Для всех исследуемых стабилизаторов максимальное входное на­пряжение 15 В, номинальное выходное напряжение 9 В, максимальный ток нагрузки 0,1 А.

Лабораторная работа выполняется на съемной панели П4 «СТАБИ­ЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ».

Краткие сведения из теории

При проектировании источников питания постоянного напряжения для электронной аппаратуры к ним предъявляются высокие требования по стабильности выходного питающего напряжения. Как медленные, так и быстрые колебания (пульсации) напряжения питания существенно из­меняют режим и параметры электронной схемы. Причинами нестабильно­сти могут быть колебания напряжения и частоты питающей сети, изме­нения нагрузки, пульсации выпрямленного напряжения, колебания тем­пературы и влажности окружающей среда. Например, для питания изме­рительных устройств, работающих с погрешностью, не превышающей 0,1%, требуется стабильность напряжения питания не хуже 0,01%.

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматичес­ки обеспечивающее поддержание напряжения на нагрузке с заданной степенью точности при изменении дестабилизирующих факторов в за­данных пределах.

Основные параметры стабилизаторов напряжения:

1. коэффициент полезного действия , равный отношению мощности, выделяемой в нагрузку, к выходной мощности, т. е.

(6.1)

2) коэффициент стабилизации Кст, определяемый как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора ик относительному приращению напряжения на выходе при постоянной нагрузке:

(6.2)

3) коэффициент сглаживания пульсаций , показывающий, во сколько раз относительная величина пульсаций (коэффициент пульса­ций) на входе стабилизатора больше относитель­ной величины пульсации на выходе (на нагрузке) , и равный отношению

(6.3)

где , - амплитуда переменной составляющей (пульсации) на­пряжения на входе и выходе стабилизатора, соответственно;

4) выходное сопротивление , определяющее во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора при изменении то­ка нагрузки , и равное отношению,

(6.4)

При питании усилителей выходное сопротивление стабилизатора приводит к появлению паразитных обратных связей через источник пи­тания, вызывающих изменения параметров усилителей и даже самовоз­буждение. Поэтому снижение выходного сопротивления стабилизатора является важной задачей.

Хорошую стабильность напряжения питания позволяют получить схемы стабилизаторов напряжения, использующие нелинейные элементы, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где напря­жение слабо зависит от тока. Такую вольт-амперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис.6.1,б).

Схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, приведена на рис.6.1,а. Свойства такого стабилизатора определяются, в основном, параметрами стабилитрона. В этой схеме колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят только к изменению тока через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, остается почти неизменным.

Действительно, входное напряжение распределяется в схеме между балластным резистором и стабилитроном, т.е.

(6.5)

где - падение напряжения на резисторе от протекания токов стабилитрона и нагрузки .

Так как напряжение на стабилитроне в соответствии с вольт-амперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах, участка от до ,то приращение входного на­пряжения примерно равно приращение напряжения на резис­торе . Поскольку ток нагрузки остается при этом практически неизменным, то можно записать

(6.6)

т.е. при изменении входного напряжения на ток стабилитрона изменится на величину

Изменение нагрузки, например уменьшение сопротивления резис­тора , приводит к увеличению тока нагрузки. Поскольку при неиз­менном входном напряжении приближенно должно сохраняться постоян­ство входного тока , то увеличение тока влечет за собой, уменьшение на такое же значение тока стабилитрона.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора (рис. 6.1,а) определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной характеристики

(6.7)

так как выходным напряжением стабилизатора является напряжение на стабилитроне , а изменение тока в нагрузке равно изменению тока через стабилитрон:

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора в со­ответствии с формулой (6.2) и учете выражений (6.6, 6.7) имеет вид

(6.8)

Из формулы (6.8) следует, что с ростом увеличивается коэф­фициент стабилизации. Однако при заданных сопро­тивление резистора однозначно определяется из выражения (6.6):

(6.9)

где номинальный ток стабилитро­на (рис.6.1,6).

Значение коэффициента стабилизации параметрических стабилиза­торов напряжения обычно не превышает 50.

Для повышения К_ст можно заменить резистор токостабилизирующей цепочкой с полевым транзистором VT1 (рис.6.2). Такая папочка имеет динамическое сопротивление 1-10 МОм, резистор служит для установки тока стабилитрона.

Максимальная выходная мощность параметрических стабилизаторов напряжения ограничивается предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощности стабилитрона. Если использовать транзистор в режиме эмиттерногэ повторителя со стабилитроном в базовой цепи (рис.6.3,а), то мощность нагрузки может быть увеличена.

Рассмотрим работу подобной схемы. При увеличении входного на­пряжения на величину повышается положительный потенциал эмит­тера транзистора vt2, потенциал же базы фиксирован стабилитроном VD1. Это приводит к увеличению сопротивления участка эмиттер-кол­лектор транзисторе VT2, в результате чего на нем увеличивается па­дение напряжения, напряжение на выходе схемы остается постоянным. При уменьшении входного напряжения положительный потенциал эмитте­ра транзистора VT2 уменьшается, что приводит к уменьшению сопроти­вления участка эмиттер-коллектор транзистора VT2, падение напряже­ния на нем уменьшается, а выходное напряжение схемы и в этом слу­чае остается постоянным. Итак, принцип работы схемы (рис.6.3,а) основан на изменении внутреннего сопротивления транзистора при воздействии на него дестабилизирующих факторов со входа схемы, т.е. транзистор VT2 выполняет роль переменного резистора.

На рис.6.3,6 приведена схема параметрического стабилизатора с эмнттерным повторителем и усилителем на транзисторе VT3 . При уве­личении (уменьшении) напряжения на выходе схемы сопротивление тран­зистора VT 2 увеличивается (уменьшается), при этом стабилизируется .

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако имеют существенные недостатки, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения, малое значение ко­эффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки .

Высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой систему автоматического регулирования, в которой фактическое зна­чение выходного напряжения сравнивается с заданным значением эталонного (опорного) напряжения. Возникающий при этом сигнал рассо­гласования усиливается и должен воздействовать не регулирующий эле­мент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стре­милось вернуться к заданному уровню. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работа­ющий с малыми токами нагрузки, реже гальванические батареи.

В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и парал­лельного типов.

Структурная схема компенсационного стабилизатора последова­тельного типа представлена на рис.6.4. В этой схеме регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль упра­вляемого балластного сопротивления.

Сигнал рассогласования, равный разности Uн-Uоп, формируемый схемой сравнения СС, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ.

При положительном сигнале рассогласований внут­реннее сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения на нем увеличивается. Так как РЭ и нагрузка включены последовательно, то при увеличении выходное напряжение уменьшается, стремясь к значению

При отрицательном сигнале рассогласования , нао­борот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения .

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора последо­вательного типа на транзисторах приведена на рис.6.5. Роль регули­рующего элемента в этой схеме играет составной транзистор VT2, VT3. При увеличении выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая сигнал рассогласования на входе усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT 4. Ток коллектора транзистора VT4 возрастает, а потенциал коллектора VT 4 становится более положительным относительно потенциала общей точки схемы. На­пряжение база-эмиттер составного транзистора уменьшается, что при­водит к возрастанию его внутреннего сопротивления и падения напря­жения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.

Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнитель­ного транзистора. Плавная регулировка выходного напряжения произ­водится с помощью делителя напряжения включенного в вы­ходную цепь стабилизатора.

На рис.8.6 приведена схема компенсационного стабилизатора, в которой последовательный регулирующий элемент выполнен на транзис­торе VT1, усилитель постоянного тока - на транзисторе VT2, схема сравнения состоит из делителя напряжения R5, R6 и источника опорно­го напряжения на стабилитроне VD1, схема защиты стабилизатора от перегрузок выполнена на транзисторе VT3 и резисторе R4. Для умень­шения мощности, рассеиваемой на транзисторе VT 1, его шунтируют ре­зистором R2. Однако, этот метод пригоден в тех случаях, когда на­грузка постоянна или возможен частичный (но не полный) её сброс, т.е. Сопротивление шунтирующего резистора, выби­рается таким, чтобы ток шунта составлял 0,6-0,8 от минимального тока нагрузки, т. е. Шунтирование регулирующего транзистора обеспечивает снижение мощ­ности, выделяющийся на нем, до величины . Недостаток шунтирования регулирующего транзистора - снижение коэф­фициента стабилизации схемы.

Рассмотрим работу схемы без учета резистора R2 и схемы защи­ты, действие которой будет рассмотрено ниже. При увеличении напря­жения на входе или уменьшении тока нагрузки выходное напряжение увеличивается. Это увеличение Uвых через делитель R5, R6 передается на базу-транзистора VT 2. Так как потенциал эмиттера VT 2 остается неизменным и равным , а потенциал базы транзистора VT 2 ста­новится более отрицательным, транзистор приоткрывается, его колле­кторный ток возрастает. Приращение коллекторного тока транзистора VT 2 создает на резисторе R1 падение напряжения, минусом приложенное к базе транзистора VT 1, в результате чего VT 1 подзапирается. При этом возрастает падение напряжения на транзисторе VT 1, компен­сируя увеличение входного напряжения. Выходное напряжение при этом остается практически неизменным.

Структурная схема компенсационного стабилизатора параллельно­го типа приведена на рис.6.7. В этой схеме регулирующий элемент РЭ подключен параллельно нагрузке Rн. Последовательно с ним включает­ся балластный резистор Rб. Таким образом, схема компенсационного стабилизатора параллельного типа при отсутствии усилителя У по сво­ей структуре напоминает схему параметрического стабилизатора, в которой роль регулирующего элемента играет стабилитрон.

Схема работает следующим образом. Сигнал рассогласования (Uн-Uоп), формируемый схемой сравнения, усиливается с помощью усили­теля У и воздействует на регулирующий элемент РЭ, изменяя его ток Iрэ таким образом, чтобы обеспечить постоянство, выгодного напря­жения Uн.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряже­ния с параллельным регулирующим элементом приведена на рис.6.8. Транзисторы VT 5 и VT 3 имеют разные типы проводимости, что позволя­ет исключить дополнительные элементы для питания коллекторной цепи VT5. Функции регулирующего элемента в схеме стабилизатора выполняет транзистор VT 3, на который подается сигнал рассогласования. Этот сигнал вырабатывается транзистором VT 5 в результате сравнения опо­рного напряжения (стабилитрон VD1) и части выходного напряжения с делителя R8, R3. При увеличении напряжения на выходе схемы или умень­шении тока нагрузки увеличивается выходное напряжение, при этом потенциал базы транзистора vt5 относительно потенциала эмиттера становится более отрицательным, vVT 5 приоткрывается и его коллек­торный ток Iк возрастает. Приращение тока коллектора VT 5 приводит к приоткрыванию регулирующего транзистора VT 3 и к увеличению его коллекторного тока. Это, в свою очередь, создает дополнительное падение напряжения на резисторе R3, плюсом приложенное к базе тран­зистора VT4, т. е. vt4 подзапирается, на нем возрастает падение напряжения, компенсируя увеличение Uвых, которое остается практи­чески неизменным.

В схеме компенсационного стабилизатора напряжения с парал­лельным регулирующим элементом (рис.6.8) использовано ограничиваю­щее ток устройства собранное на элементах R2, R3, VT4, VT1,VT2. В качестве токозадзющего элемента используется резистор R2. Когда падение напряжения на резисторе R2 достигнет значения 0,65 В, от­пирается транзистор VT1, который при этом шунтирует переход эмит­тер-база транзистора vt4, препятствуя дальнейшему нарастанию тока нагрузки. Транзистор vt2 и резистор R3 использованы для задания тока через базу транзистора VT4 и переход коллектор-эмиттер тран­зистора VT1.

Коэффициент стабилизации компенсационных стабилизаторов до­стигает нескольких тысяч и зависит от коэффициента усиления усили­теля У. Выходное сопротивление компенсационных стабилизаторов име­ет значение порядка нескольких Ом и даже долей Ом,

КПД у стабилизаторов параллельного типа ниже, чем у стабили­заторов, последовательного типа, так как на балластном сопротив­лении Rб расходуется дополнительная мощность. Недостатком стаби­лизаторов последовательного типа является их критичность к пере­грузкам. При коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу прикладывается все входное напряжение и резко увеличивается ток Iрэ, что может привести к выходу транзистора из строя.

Основная задача защиты стабилизатора - автоматическое прекра­щение передачи энергии от выпрямителя через стабилизатор в неис­правное устройство, потребляющее энергию. Наиболее рационально это достигается изменением режима работы регулирующего транзистора ста­билизатора. Широкое применение получили транзисторные схемы защиты, основанные на принципе запирания последовательного регулирующего элемента с целью ограничения тока и мощности при перегрузках по току и коротких замыканиях.

Наиболее распространенными являются схемы с резистором - дат­чиком тока перегрузки, напряжение на котором сравнивается с каким--либо опорным напряжением. Наиболее часто специального опорного напряжения не требуется - используется напряжение база-эмиттер дополнительного транзистора и часть выходного напряжения.

На рис.6.5 приведена транзисторная схема зашиты, ограничиваю­щая перегрузку или ток короткого замыкания путем автоматического подзапирания регулирующего транзистора. Защитное устройство состо­ит из транзистора VT1, сопротивлений делителя R1, R2 и резистора R3, падение напряжения на котором пропорционально току нагрузки. В нор­мальном, режима (при отсутствии перегрузок) падение напряжения на R3 меньше, чем на резисторе делителя R2; транзистор VT 1 закрыт и не влияет на работу стабилизатора.

При увеличении тока нагрузки свыше допустимой величины паде­ние напряжения на R3 будет возрастать, и при достижении значения, большего, чем напряжение на R2, транзистор VT1 будет приоткрывать­ся. Увеличивающейся ток коллектора транзистора vt1 будет уменьшать ток базы нижнего составного транзистора VT3 и тем самым подзапирать регулирующий элемент. Увеличение падения напряжения на рэ со­ответственно уменьшает выходное напряжение и ограничивает ток нагрузки.

В настоящее время широко используются интегральные стабилиза­торы, напряжения компенсационного типа, имеющие высокую стабиль­ность выходного напряжения за счет запаса коэффициента усилений.

Основная схема включения интегрального полупроводникового стабилизатора типа KPI42EHIA приведена на рис.6.9. Внешний резис­тор R1 включен в цепь защиты схемы от короткого замыкания нагруз­ки. Конденсатор C1 определяет время восстановления нормального ре­жима при импульсном изменении нагрузки и входного напряжения. Ем­кость конденсатора C2 позволяет уменьшить выброс выходного напря­жения при импульсном изменении нагрузки и входного напряжения. Для регулировки выходного напряжения стабилизатор имеет внешний дели­тель.

Схема стабилизатора с повышенной нагрузочной способностью на основе микросхемы KPI43EHIA представлена на рис.6.10. Стабилизатор дополнен внешним регулирующим транзистором vt1, так как чtрез на­грузку необходимо пропускать, ток, превышающий предельно допустимые значения.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ ПАНЕЛЙ П4 "СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ"

На лицевой стороне панели (рис.6.11) расположены элементы уп­равления блоком задания входных воздействий (блок АО), вольтметр постоянного тока V, измеряющий напряжение на входе исследуемых схем, а также нанесены графические изображения различных нагрузок (правая часть панели) и следующих схем стабилизаторов напряжения:

блок A1 - параметрический стабилизатор (рис.6.1);

блок A1 - параметрический стабилизатор с полевым транзистором (рис.6.2);

блок А2 - компенсационный стабилизатор с параллельным регули­рующим элементом (рис.6.8);

блок A3 - стабилизатор компенсационного типа с последователь­ным регулирующим элементом (рис.6.6);

блок А4 - стабилизатор напряжения в интегральном исполнении (рис.6.10); .

блок А5 - параметрический стабилизатор с эмиттерным повтори­телем (рис..6.3,а,б).

Все схемы стабилизаторов компенсационного типа имеют защиту от перегрузки по току и короткого замыкания. Схемы исследуемых стабилизаторов напряжения на лицевой стороне панели указаны упро­щенно, т.е. не показаны элементы, которые не имеют принципиального значения для их работы.

Для задания различных режимов работы стабилизаторов используются следующие элементы, расположенные на правой стороне панели:

1) потенциометры R25, R30 - для плавной регулировка нагрузоч­ного тока;

2) резисторы R27, R23 - для ступенчатой установки нагрузочно­го тока;

3) активно-индуктивная нагрузка R24, L1, R26;

4) активно-емкостная нагрузка ига. R28, R31, C5;

5) емкостная нагрузка C4;

6) тумблеры SA6, SA7, используемые для коммутации нагрузок. Для исследования различных характеристик стабилизаторов ис­пользуется блок АО, который подключается к сети 220 B тумблером SA1.

Компенсационный стабилизатор с параллельным регулирующим эле­ментом (блок A2) потребляет сравнительно большой ток, поэтому зае­ден переключатель SA5. В верхнем положении SA5 подключает все ста­билизаторы, кроме блока А2, к источнику входного напряжения (Uп), в нижнем положении SA5 подключает схему блока A2 к Uп.

Вольтметр V, измеряющий значение напряжения на входе стабилизатора, имеет два предела измерения (x1; хЗ), которые устанавлива­ются кнопочным переключателем.

Переключатель SA4 предназначен для выбора вида источника на­пряжения, подключаемого к исследуемым стабилизаторам. В нижнем по­ложении SA4 (∩∩∩) подключает стабилизаторы напряжения к диодному выпрямителю, что позволяет исследовать влияние величины емкости фильтра C1 и C2 (подключаются тумблерами SA2, SA3) на амплитуду пульсаций выходного напряжения. В верхнем положении SA4 под­ключает, стабилизаторы к генератору прямоугольных импульсов блока АО, выходное напряжение которого имеет вид, приведенный на рис.6.12.

Амплитуда пульсаций л выходного напряжения генератора прямоу­гольных импульсов блока АО устанавливается потенциометром АМПЛИТУ­ДА (предел регулирования 0-5 В); частота пульсаций (величина в на рис.6.12) выбирается переключателем МНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ и плавно ре­гулируется потенциометром ЧАСТОТА. Величина с выходного напряжения генератора устанавливается потенциометром УРОВЕНЬ. При отсутствии пульсаций (а=0) и при любом положении переключателя МНОЖИТЕЛЬ ЧАС­ТОТЫ и потенциометра ЧАСТОТА уровень, выходного напряжения с блока АО (величина с) регулируется в пределах от 8 до 14 В. .

Робота генератора прямоугольных импульсов блока АО возможна в двух режимах: ручном и автоматическом. Выбор, режима работы осу­ществляется тумблером в блоках АО. При установке тумблера режима работы, блока АО в положение руч и нажатии кнопки ПУСК формируется одиночный ступенчатый сброс напряжения на установленную величину а (рис.6.12).

При установке тумблера режима работы блока АО в положение АВТ и однократном нажатии кнопки ПУСК на выходе генератора формируется напряжение с прямоугольными пульсациями, имеющее параметры С, А, В (рис.6.12), которые регулируются с помощью соответствующих потен­циометров .

Электронный ключ, выполненный на транзисторе VТ7, предназна­чен дня автоматической коммутации различных нагрузок.