mel / AT_LR1

Лабораторная работа 1.

Теоретический материал.

1.Простейший параметрический стабилизатор

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, чтобы напряжение на выходе стабилизатора Vout находилось в установленных пределах.

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

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

Рис. 2 Схема линейного стабилизатора на стабилитроне

В данной схеме для получения стабильного выходного напряжения используется стабилитрон VD1. При напряжении питания VIN меньшем Uст

(напряжение стабилизации) стабилитрон закрыт. В этом случае выходное напряжение определяется по закону Ома:

= ∙ +

Когда выходное напряжение достигает напряжения Uст, стабилитрон открывается и начинает пропускать ток, необходимый для поддержания Uout

в окрестности Uст.

Схему на рис. 2 можно представить в эквивалентном виде (рис. 3).

Рис. 3 Эквивалентная схема стабилитрона

Резистор Ri в данной схеме служит для ограничения тока, потребляемого нагрузкой (максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку).

Схему стабилизатора можно рассматривать как делитель тока. Ток резистора Ri (IRi) разделяется на ток нагрузки Iload и ток стабилитрона Iст.

= + ст

В свою очередь, из закона Ома

= −

При увеличении тока через нагрузку, ток через стабилитрон уменьшается. Максимальный ток протекает через нагрузку при Iст = 0, равен

−

Если ток нагрузки превысит Imax, то падение напряжения на резисторе превысит Uin – Uст. Стабилитрон закроется, и выходное напряжение начнет падать.

2.Схема ограничения тока

Врассмотренной ранее схеме стабилитрон открывался током Iобщ, вытекающим из резистора Ri. Если необходимо разработать стабилизатор напряжения с ограничением по току, можно заменить Ri источником тока (рис.4).

Вданном примере стабилитрон D3 задает ток стабилизации. Напряжение Uст3 = 3 В, следовательно, падение напряжения на резисторе R6

есть напряжение стабилитрона D3 за вычетом напряжения эмиттер-база транзистора Q1

Этот ток распределится между нагрузкой и стабилитроном D1.

Рис. 4 Стабилизатор с ограничением по току

3.Расчет потребляемой мощности стабилизатора

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.

1)Ток через резистор R6

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 отключенной нагрузке);

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

3)напряжение стабилизации Vst=Vout;

4.Варианты повышения мощности и напряжения стабилизации

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

Необходимо выбирать стабилитрон, обеспечивающий нужный ток базы:

Если требуется повысить напряжение стабилизации, можно использовать несколько последовательно соединенных стабилитронов. В этом случае напряжение стабилизации равно алгебраической сумме напряжений стабилизации каждого стабилитрона.

5. Управляемый стабилитрон на основе TL431

Рассмотрим схему на рис. 6. В качестве стабилизирующего элемента используется транзистор, управляемый устройством сравнения. Устройство сравнения определяет разность между напряжением, подаваемым на вход REF, и величиной напряжения внутреннего источника опорного напряжения

VREF.

Рис. 6 Структура ИМС TL431

Данная схема выпускается в виде готовых ИМС TL431 (142ЕН19). Условное графическое обозначение ИМС показано на рис. 7.

Рис. 7. Условное графическое обозначение TL431 (142ЕН19)

На базе TL431 можно реализовать стабилитрон с регулируемым напряжением стабилизации. Рис.8.

Рис. 8 Регулируемый стабилитрон

При протекании тока от катода к аноду схемы внутренний транзистор TL431 откроется на столько, чтобы напряжение в средней точке делителя R1R2 равнялось напряжению источника опорного напряжения. Таким образом, с помощью резисторов можно задать нужное напряжение

стабилизации:

ст ∙

Где = 2,5В.

Регулируемый стабилитрон можно применить в схеме простейшего параметрического стабилизатора вместо обычного стабилитрона

Рис. 9 Стабилизатор напряжения на TL431

Если рассматривать резисторы R1 и R2 как цепь обратной связи, можно назвать схему на Рис. 9 компенсационным стабилизатором. Действительно, напряжение на нагрузке сравнивается с опорным напряжением, в результате чего с помощью регулирующего элемента (транзистор) может быть произведена корректировка выходного напряжения.

6.3х-выводной стабилизатор LM317

Ввиде ИМС выпускаются также законченные стабилизаторы напряжения. Одним из представителей этого класса устройств является трехвыводной стабилизатор LM317. Внутренняя структура представлена на Рис.10.

Рис. 10. Внутренняя структура ИМС LM317

Данный стабилизатор также является компенсационным. Источник опорного напряжения представлен в виде стабилитрона и источника тока Iadj, который формирует на стабилитроне падение 1.25В. Для того, чтобы система находилась в равновесии необходимо, чтобы напряжение на выводе Output было больше напряжения на Adj на величину 1.25В.

Рис. 11. Схема включения LM317

Выходное напряжение стабилизатора определяется внешними резисторами R1 R2. В установившемся режиме протекающий через R1 и R2 ток должен вызывать на резисторе R1 падение напряжения 1.25В. При расчете учитывается также вытекающий из микросхемы ток Iadj = 50 мкА.

Формула расчета выходного напряжения имеет вид:

ВЫХ ∙ 1

Задание.

1.Разработать схему стабилизированного источника питания с ограничением по мощности на основе стабилитрона для положительного напряжения.

2.Разработать схему стабилизированного источника питания с ограничением по току на основе TL431 для источника положительного напряжения.

3.Разработать схему стабилизированного источника питания с ограничением по току на основе LM317 для источника положительного напряжения.

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

Таблица 1 Пример. Тепловыделение.

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.

5. Собрать полученные схемы в Multisim. Значения Uвых, K, Uвх по номеру варианта. Uвых = K* Uвх.

Максимальная мощность, рассеиваемая на нагрузке, не более 0,5 Вт. Минимальное сопротивление нагрузки 100 Ом.