Параметричний стабілізатор напруги

Мета роботи: Розрахувати та дослідити роботу параметричного стабілізатора напруги.

Короткі теоретичні відомості.

Джерела напруги, які використовуються на практиці, не дають стабільної напруги. Зі зміною опору навантаження, температури, напруги у мережі й інших умов напруга джерела деякою мірою змінюється. Для зменшення цих змін використовують стабілізатор напруги. Головний параметр стабілізатора напруги – повний коефіцієнт стабілізації: відношення відносної зміни вхідної напруги до відносної зміни вихідної напруги при постійному навантаженні:

,

де = - коефіцієнт стабілізації,

= - коефіцієнт трансформації постійної напруги.

Іншим важливим параметром є вихідний опір стабілізатора, який характеризує зміну вихідної напруги із зміною навантаження:

Цей параметр визначається при сталій вхідній напрузі, а прирости напруги і струму беруться за модулем. Менш важливим параметром є коефіцієнт корисної дії стабілізатора , де - потужність на опорі навантаження, - вхідна потужність.

Найпростішим стабілізатором є параметричний стабілізатор, схема якого зображена на рис.1

Рис.1 Схема параметричного стабілізатора напруги.

Параметричні стабілізатори використовуються коли потужність споживання невелика (<1 вт), це зумовлено малим коефіцієнтом корисної дії такого типу стабілізаторів (η<0.1÷0.3). Найчастіше їх використовують як еталонні джерела напруги, наприклад, в цифро-аналогових перетворювачах та компренсаційних стабілізаторах.

При розрахунку стабілізатора напруги задаються наступні величини:

1. номінальне значення напруги на навантаженні ()

2. діапазон зміни величини опору навантаження: , , або номінальне значення опору навантаження та максимальне відхилення від номінального значення ;

3. коефіцієнт стабілізації

4. діапазон максимально можливої зміни вхідної напруги , .

Результатом розрахунку є значення номінальної вхідної напруги , значення баластного опору та вибраний стабілітрон D.

Розрахунок стабілізатора напруги можна розділити на дві частини:

1. розрахунок для змінних складових струмів стабілізатора;

2. розрахунок по постійному струму.

Основним елементом, що забезпечує постійність напруги на виході стабілізатора є стабілітрон D з вольтамперною характеристикою, що показана на рис.2

Рис.2 Вольтамперна характеристика стабілітрона.

Робочою ділянкою стабілітрона є ділянка АБ вольтамперної характеристики. Лише для цієї ділянки при зміні струму через стабілітрон в межах від до напруга на ньому практично незмінна і близька до .

При розрахунку стабілізатора для змінних складових струмів в межах робочої ділянки АБ використовується схема заміщення, що показана на рис.3.

Рис.3 Схема заміщення стабілітрона для змінних складових.

Як відомо, для нелінійних резисторів (саме до цього типу елементів можна віднести стабілітрон) в околі вибраної робочої точки P значення постійних то змінних складових струмів та напруг описуються з використанням значення статичного опору та диференціального опору.

Для кожного стабілітрона в довіднику задано значення диференціального опору для вказаної робочої точки з ділянки АБ. Звичайно, значення робочої точки вибирають поблизу це значення є найбільшим в порівнянні із значенням диференціального опору для.

Опираючись на схему заміщення (рис.3), можна знайти значення баластного опору по заданому

та :

,

,

(1).

З (1) визначаємо значення баластного опору: (2).

Враховуючи, що , часто користуються наближеною формулою:

(3).

Опираючись на схему заміщення стабілізатора по змінному струму можна знайти вихідний опір стабілізатора. Значення вихідного опору стабілізатора дає змогу представити його у вигляді схеми заміщення реального джерела напруги як показано на рис.4.

Рис.4. Схема заміщення стабілізатора у вигляді реального джерела напруги.

Для визначення параметрів реальних джерел напруги використовують значення напруги на виході джерела в режимі холостого ходу () та значення вихідного струму в режимі короткого замикання (=0), тоді ;

Аналогічно це можна зробити на основі схеми заміщення стабілізатора по змінному струму. Враховуючи те, що ,

Отримуємо , враховуючи те, що >> можемо наближено записати: (4).

Розрахунок по постійному струму полягає у наданні таких параметрів схемі, що при найгірших умовах (максимальне відхилення вхідної наруги від номінальної та максимально можливих змінах опору навантаження) робоча точка на вольтамперній характеристиці стабілітрона знаходиться в межах лінійної ділянки стабілізації АБ. Так, як значення баластного опору було вибране на основі заданих та (для вибраного стабілітрона) нам залишається лише розрахувати номінальну вхідну напругу стабілітрона .

Для спрощення викладу будемо вважати, що відхилення від номінального значення напруги на вході стабілізатора та відхилення від номінального значення опору навантаження є рівними і становлять та відповідно.

Допустимо, що робоча точка P вибрана на середині робочої ділянки АБ стабілітрона, як це показано на рис.2, а значення напруги на стабілітроні в межах ділянки наближено рівне.

Розглянемо, за рахунок чого відбувається стабілізація напруги на опорі навантаження при зміні, наприклад, опору навантаження при незмінному значенні вихідної напруги стабілізатора .

Запишемо рівняння Кірхгофа для вузла 1 та контура, що складається з напруг: , ,

(5, 6)

Нехай значення опору навантаження зміниться на деяке невелике значення. Зміна опору навантаження, очевидно, приведе до зміни як струму через навантаження так і струму через стабілітрон . Так як робоча точка P знаходиться на ділянці АБ і зміна невелика, то вона не вийде за її межі, отже можна вважати, що напруга на стабілітроні і на опорі навантаження практично не зміниться. Тоді, згідно рівняння (6), значення струму залишиться незмінним (, - const). Отже, згідно рівняння (5) зміна струму навантаження пов’язана зі зміною опору навантаження дорівнює зміні струму через стабілітрон:

.

Аналогічно, при зміні вхідної напруги на величину , при сталій напрузі на навантаження , згідно рівняння (6) змінюється значення струму . З рівняння (5) можна твердити, що зміна струму приводить лише до зміни струму через стабілітрон. Тому можемо записати наступну рівність:

Нехай нам задано максимальне відхилення вхідної напруги від номінального значення та максимальне відхилення опору навантаження від номінального . Тоді значення та будуть наступними:

,

.

Для того, щоб значення напруги на навантаженні залишалось постійним, сумарна зміна струму через стабілітрон повинна бути меншою ніж „довжина” ділянки стабілізації:

||=||+|| (7)

Нерівність (7) дає критерій вибору стабілітрона з необхідною „довжиною” ділянки стабілізації АБ. Порахувавши значення максимальної зміни стуму стабілітрона та границі ділянки стабілізації АБ можемо вирахувати положення робочої точки P при номінальних значеннях вхідної напруги та опору навантаження:

При цьому значення струму через стабілітрон в робочій точці буде найменшим і, як буде показано нижче, ми матимемо більший коефіцієнт корисної дії (к.к.д.). Якщо взяти за робочу точку середину ділянки стабілізації АБ (очевидно, при виконанні нерівності (7)) то стабілізатор може забезпечити постійну напругу на виході при ще більших змінах вхідної напруги та опору навантаження, але к.к.д. буде меншим. Маючи значення струму в робочій точці на основі закону Кірхгофа для заданого контуру можемо обчислити номінальне значення вхідної напруги:

Обчислимо к.к.д. стабілізатора при номінальних значеннях вхідної напруги та опору навантаження. Коефіцієнт корисної дії стабілізатора це відношення потужності на навантаженні до вхідної потужності:

(8).

З (8) видно, що при збільшенні коефіцієнта стабілізації та значення струму стабілітрона в робочій точці к.к.д. зменшується. К.к.д. такого типу стабілізатора, зазвичай, становить 0.10.3. Такий малий коефіцієнт корисної дії є основною причиною обмеження області використання параметричних стабілізаторів напруги.

Завдання.

1. Для заданих викладачем значень , , розрахувати , та вибрати відповідний стабілітрон.

2. Знати залежність при .

3. Знати залежність при .

4. Виходячи із залежності знайти експериментальне значення .

5. Виходячи із залежності знайти .

Методичні вказівки.

1. Для того, щоб знати залежність на вхід стабілізатора під’єднати кероване джерело напруги. Змінюючи значення вхідної напруги в межах від 0 до провести вимірювання вольтметром постійного струму напруги на навантаженні з опором, що рівний номінальному. Результати вимірювання занести в таблицю 1.

2. Із залежності визначити ділянку, на якій значення вихідної напруги є стабілізованим. Знайти експериментальне значення для точки з середини ділянки, на якій вихідна напруга є стабільною.

3. Для отримання залежності на вхід стабілізатора під’єднати кероване джерело напруги і виставити значення . На вихід схеми під’єднати змінний резистор в якості опору навантаження. Змінюючи опір навантаження в межах від 0 до виміряти значення вихідної напруги стабілізатора . Результати вимірювань занести в таблицю 2.

4. Із залежності визначити ділянку, на якій значення вихідної напруги є практично незміним та знайти експериментальне значення .

Таблиця 1. Залежність , = ;

№ п/п	, В	, В

Таблиця 2. Залежність , при U_{вх ном}

№ п/п	, Ом	, В

Контрольні запитання.

1. Для чого використовують стабілізатори напруги?

2. Який головний параметр стабілізатора напруги?

3. Що таке коефіцієнт стабілізатора напруги?

4. Якими параметрами характеризується стабілізатор напруги?

5. Намалюйте схему параметричного стабілізатора.

6. Де використовуються параметричні стабілізатори напруги?

7. Які величини задаються при розрахунку параметричного стабілізатора напруги?

8. Намалюйте воль амперну характеристику та вкажіть основні параметри стабілізатора.

9. В чому полягає розрахунок стабілізатора по змінному струму?

10. В чому полягає розрахунок стабілізатора по постійному струму?

11. Як вбрати робочу точку на ділянці стабілізації стабілітрона?

12. Як визначити експериментально значення ?

13. Як визначити експериментально значення ?

14. Як експериментально визначити к.к.д. стабілізатора ?

Форма звіту до лабораторної роботи.

1. Вихідні параметри до розрахунку стабілізатора напруги.

2. Формули та результати розрахунку стабілізатора напруги.

3. Схема вимірювань.

4. Результати вимірювань.

5. Графіки залежностей , .

6. Результати обчислень експериментальних значень , , .

7. Експериментальні значення ділянок, на яких вихідна напруга практично незмінна при змінах та .

8. Висновки.

ДОСЛІДЖЕННЯ ТРАНЗИСТОРНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ 1

Дослідження операційних підсилювачів. 6

Дослідження RC-генератора гармонічних коливань 10

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЛАКСАЦІЙНИХ ГЕНЕРАТОРІВ 12

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИПРЯМЛЯЧІВ ЗМІННОГО СТРУМУ 14

Дослідження компенсаційного стабілізатора напруги. 20

Параметричний стабілізатор напруги 24