АТ / Лабораторная работа 1

Лабораторная работа 1.

Теоретическийматериал.

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Схему линейного стабилизатора можно представить в следующем виде

(рис. 1).

Рис. 1 Схема линейного стабилизатора напряжения

Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление Rst постоянно поддерживается таким, что бы напряжение на выходе стабилизатора Vout находилось в установленных пределах.

Основными параметрами линейного стабилизатора являются выходное напряжение Vout и максимальный ток нагрузки Iload (или минимальное со противление нагрузки Rн).

Простейшую схему линейного стабилизатора можно выполнить на ста билитроне (рис. 2).

Рис. 2 Схема линейного стабилизатора на стабилитроне

В данной схема для получения стабильного выходного напряжения ис пользуется стабилитрон VD1. При отключенном стабилитроне выходное напряжение определяется по закону Ома как Vout = Rload*Vin/(Rload+Ri). Когда мы подключаем стабилитрон и выходное напряжение достигает напря жения стабилизации стабилитрона Vst, стабилитрон открывается и начи нает пропускать ток, необходимый для поддержания Vout не больше Vst. Т.о. схему на рис. 2 можно представить в эквивалентном виде (рис. 3).

Рис. 3 Эквивалентная схема стабилитрона

Резистор Ri в данной схеме служит для задания максимальной мощно сти, рассеиваемой нагрузкой. Действительно, если выходное напряжение равняется Vout,напряжение стабилитрона равняется Vst, входное напряже ние равняется Vin, то ток через нагрузку определяется выражением

Iload = I Ist

В свою очередь, из закона Ома

I = (Vin Vout)/Ri

С другой стороны

Iload = Vout/Rload

Таким образом, при увеличении тока через нагрузку, ток через стаби литрон уменьшается. Максимальный ток через нагрузку равен Imax = (Vin Vout)/Ri, когда Ist = 0. Если ток нагрузки превысит Imax, то падение напряже ния на резисторе превысит Vin Vst. Стабилитрон закроется, а выходное напряжение станет падать. Мощность Pload, рассеиваемая на нагрузке, будет определятся делителем напряжения Ri, Rload.

Pload = Iload2 *Rload = (Vin/(Ri+Rload))2*Rload

Если необходимо разработать стабилизатор напряжения с ограничени ем по току, то можно использовать дополнительный источник тока вместе со стабилизатором напряжения (рис.4).

Рис. 4 Стабилизатор с ограничением по току

В данном примере стабилитрон D3 задает ток стабилизации. Напряже ние Vst = 3 В, следовательно падение напряжения на резисторе R6 Vr6 есть напряжение стабилитрона D3 за вычетом напряжения эмиттер база транзи стора Q1 Vr6=Vst Vbe=3 0,7=2,7 В. Значит ток через R6 будет равняться Ir6=Vr6/R6 = 2,6/20=130 мА. Весь этот ток необходимо либо рассеять на нагрузке, либо на стабилитроне.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на каждом элементе в схеме на рис. 4 при следующих параметрах:

1)R4 = 500 Ом, R6 = 20 Ом

2)D3 Vst3 = 3 В

3)D1 Vst1 = 9 В

4) Vin = 15 В

Будем исходить из наихудшего случая – отключенной нагрузки. Ток через R6 определяется как

Ir6 = (Vst3 Vbe)/R6=3 0,7/20=115 мА Pr6 = Ir62*R6 = (3 0,7)2 /20=0,27 Вт

Весь этот ток пройдет через стабилитрон D1 Pd1=Ir6*Vst1=0,115*9=1,04 Вт

Напряжение в эмиттере транзистора Q1 есть Ve=Vout+Vst3 Vbe= Vst1+Vst3 Vbe

Падение напряжения на транзисторе Q1 составит Vq1=Vin Ve

Тогда Pq1=Vq1*Ir6=(15 (9+3 0,7))*0,115=0,43 Вт

Стабилитрон выбирается по следующим основным параметрам:

1)диапазон входного напряжения не менее Vin (худший случай при от ключенной нагрузке);

2)максимальный ток стабилитрона должен быть не меньше максималь ного тока через нагрузку, т.к. в случае отключенной нагрузке весь ток пойдет через стабилитрон;

3)напряжение стабилизации Vst=Vout;

Если не удается подобрать стабилитрон с требуемой мощностью, то можно использовать одну из схем, представленных на рис.5.

Рис. 5 Стабилизатор напряжения с «составным» стабилитроном

При этом необходимо выбирать стабилитрон, обеспечивающий нужный ток базы IB=Imax/β.

В первой схема Vout=Vst+Vbe.

Во второй схеме Vout=Vst Vbe.

Если требуется повысить напряжение стабилизации, то можно исполь зовать несколько последовательно соединенных стабилитронов. В этом слу чае напряжение стабилизации равно алгебраической сумме напряжений стабилизации каждого стабилитрона.

В схемах, представленных на рис. 6 нет необходимости использовать высоковольтный стабилитрон. Напряжение стабилизации определяется

Данная схема реализована в виде готовых ИМС TL431 (142ЕН19). Услов но графическое обозначение ИМС показано на рис. 9. В данной микросхеме реализован внутренний источник опорного напряжения Vref=2,5 В.

Рис. 8 TL431 (142ЕН19)

Рассмотрим несколько типовых применений данной микросхемы (рис. 9 11), взятых из спецификации на данную микросхему.

Рис. 9 Стабилизатор напряжения, Vref=2,5 В

Рис. 10 Стабилизатор напряжения на 5 В

Рис. 11 Источник тока

Для схемы на рис.9 из закона Ома (входным током TL431 пренебрегаем) получим

Vref/R2=(Vo Vref)/R1

Микросхемы TL431 обладают ограничением по максимальному вход ному напряжению и максимальной рассеиваемой мощности.

Все схемы стабилизаторов напряжения, реализованные с помощью ста билитрона, можно также реализовать на базе TL431.

На таком же принципе как и TL431 основана работа ИМС линейных ста билизаторов типа LM117, ECG1900, 1157ЕН1, 142ЕН12 и т.п.

Например, в LM317 реализован внутренний источник опорного напря жения на 1,5 В. Типовая схема включения LM317 приведена на рис. 12.

Рис. 12 Типовая схема включения LM317

Задание.

1.Разработать 2 схемы стабилизированного источника питания с огра ничением по мощности на основы стабилитрона для положительного и от рицательного напряжения.

Uвых = K* Uвх.

Максимальная мощность, рассеиваемая на нагрузке, не более 0,5 Вт. Uвых, K, Uвх по номеру варианта.

Минимальное сопротивление нагрузки 100 Ом.

2.Разработать схемы стабилизированного источника питания с ограни чением по току на основы TL431 для положительного источника питания. Uвых = K* Uвх.

Максимальный выходной ток Iвых по номеру варианта.

3.Рассчитать мощность, рассеиваемую на каждом элементе (тепловы деление) в каждой схеме для наихудшего случая – отключенной нагрузки. Результаты расчетов оформить в виде таблицы 1.

Номиналы резисторов и конденсаторов брать из ряда E24. Отклонение выходного напряжения от заданного должно лежать в пределах 10%.

Варианты заданий по списку в журнале преподавателя.

Собрать полученные схемы в Multisim.