Дослідження компенсаційного стабілізатора напруги.

Короткі теоретичні відомості.

Вихідна напруга випростувачів має відносно великі пульсації і залежить від коливань напруги мережі і зміни опору навантаження. Для отримання напруг, які слабо залежать від змін мережевої напруги та опору навантаження використовують компенсаційні стабілізатори напруги. В компенсаційних стабілізаторах проводиться порівняння фактичної величини вихідної напруги з його заданою величиною і в залежності від величини і знаку розузгодження між ними автоматично здійснюється коректуюча дія на елементи стабілізатора з метою зменшення розузгодження.

Функціональна схема компенсаційного стабілізатора послідовного типу

показана на рис.1.

Регулюючий елемент РЕ включений послідовно з джерелом вхідної напруги U_вх і навантаження R_н. Якщо з будь-яких причин напруга на виході U_вих відхилилась від свого номінального значення, то різниця еталонної (Е - джерело еталонної напруги) і вихідної напруги подається на порівнюючий підсилювальний елемент (ППЕ), що виробляє керуючу дію, яка подається на регулюючий елемент РЕ. При цьому змінюється опір РЕ таким чином, щоб компенсувати зміни напруги на навантаженні.

На рис.2 приведена одна з найпростіших схем компенсаційного стабілізатора послідовного типу.

У цій схемі послідовно з навантаженням включено транзистор Т₁, опір якого між колектором та емітером змінюється так, щоб вихідна напруга підтримувалась постійною. Еталонна напруга отримується на стабілітроні D і порівнюється з частиною вихідної напруги, що знімається з подільника R₃,R₄, при допомозі транзистора Т₂. Транзистор Т₂ виконує роль і підсилювального елемента, сигнал якого керує внутрішнім опором транзистора Т₁.

Основними параметрами, що характеризують стабілізатор є: вихідна напруга U_вих., максимальний вихідний струм I_вих.max, вихідний опір стабілізатора R_ст, коефіцієнт стабілізації K_ст, коефіцієнт корисної дії . Вихідний опір стабілізатора характеризує зміну вихідної напруги при зміні вихідного струму:

Коефіцієнт стабілізіції є відношенням відносної зміни напруги на вході до відносної зміни напруги на виході:

Коефіцієнт корисної дії стабілізатора визначається наступним чином:

Необхідність стабілізіції напруги джерел живлення РЕА привела до випуску широкого спектру компенсаційних стабілізаторів напруги в інтегральному виконанні (у вигляді спеціалізованих інтегральних мікросхем). Прикладом можуть служити інтегральні стабілізатори напруги серії К142ЕН. На рис.3 показана принципова схема стабілізатора К142ЕН1 з регульованою вихідною напругою.

Рис.3.

Еталонне джерело живлення в даній мікросхемі реалізовано при допомозі стабілітрона D та емітерного повторювача на транзисторі Т₁. Еталонна напруга подається на порівняльно-підсилювальний елемент у вигляді балансного підсилювача на транзисторах Т₂, Т₃. Підсилений сигнал керування подається на регулюючий елемент, виконаний на транзисторах Т₆, Т₇. Стабілізатор має захист від короткого замикання, виконаний на транзисторі Т₅ та схему включення стабілізатора (Т₄,D₁). Схема включення стабілізатора вимагає підключення зовнішніх елементів (рис.4).

Рис.4.

Подільник R₁,R₂ вибирається так,щоб струм подільника був  1.5 мА, резистор R₂ служить для регулювання значення вихідної стабілізованої напруги.

Схема захисту стабілізатора від короткого замикання містить подільник напруги R₃,R₄ (i_n=0.3мА) і опір R₅ визначає вихідний струм спрацювання захисту і визначається:

Величина I_зах не повинна перевищувати максимального струму навантаження I_н max (див.табл.1).

Табл. 1.

Максимальна вхідна напруга, Uвх.мак (В)	20
Мінімальна вхідна напруга, Uвх.мін (В)	9
Граничне значення вихідної напруги (В)	3…9
Максимальний струм навантаження, Інмак (А)	0.15
Споживаний мікросхемою струм (mA)	4
Максимальна потужність розсіяння (Вт)	0.8

При короткому замиканні на регулюючому транзисторі буде виділятись потужність P=I_захU_вх.max, яка не повинна перевищувати максимальну потужність розсіяння (див.табл.1). Конденсатор С₁ служить для усунення можливого самозбудження підсилювача стабілізатора (C₁0.10.5 мкф). Конденсатор С₂ необхідний для зменшення коефіцієнту пульсації вихідної напруги.

Завдання.

1.Визначити ділянку стабілізіції схеми. Для цього зняти залежність U_вих=f(U_вх) при холостому ході стабілізатора. Вхідну напругу змінювати в межах від 0 до U_вх.max.

2.Визначити коефіцієнт стабілізації схеми. Встановити номінальне значення вхідної напруги (за номінальне значення вхідної напруги взяти середнє значення напруги ділянки стабілізації) і зняти залежність U_вих=f(U_вх) змінюючи U_вх на 20 від номінального. Струм через навантаження повинен бути рівним номінальному I_н ном=10мА (для цього необхідно підключити на вихід ).

3.Зняти навантажувальну характеристику стабілізатора U_вих=f(I_н), змінюючи опір навантаження (у даному лабораторному макеті вибрано опір R₅ таким чином, щоб I_зах«I_н max), підтримуючи вхідну напругу рівною номінальній. По знятій залежності визначити вихідний опір стабілізатора.

4.Для номінальних значень U_вих та I_вих визначити коефіцієнт корисної дії, вважаючи, що I_вх  I_вих.