Т аблица

Ф ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

_______________________________________________________________

К а ф е д р а «Вычислительная техника»

Электроника

Методические указания

к лабораторным работам

Самара 2006

Составители: В.Н. Ерицев, В.П. Золотов, С.М. Крылов

УДК 681.324

Электроника: Метод. указ. к лаб. работам/ Самар. гос. техн. ун-т; Сост. В.Н. Ерицев, В.П. Золотов, С.М. Крылов. - Самара, 2006. - 56с.

Рассмотрены вопросы построения широкого круга электронных схем: освещена работа параметрического стабилизатора, достаточно подробно изложена теория работы основных электронных устройств на базе операционных усилителей, генератора на интегральной микросхеме, пассивных и активных фильтров, некоторых логических элементов. Изложена методика проведения лабораторных занятий, приведены контрольные вопросы для оценки качества усвоения материала.

Предназначены для студентов специальности 230101 «Электронные вычислительные машины, комплексы, системы и сети» всех форм обучения и ряда других специальностей, ориентированных на углублённое знание курса электроники.

Ил. 36. Табл. 16. Библиогр.: 5 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ

Лабораторная работа №1 Исследование стабилизаторов

Целью работы является приобретение навыков в расчете и экспериментальном исследовании стабилизаторов напряжения.

Краткая теория

В ыходное напряжение выпрямительных схем источников электропитания может иметь недопустимо большие пульсации и зависеть от колебаний напряжения сети и от изменения нагрузки. Для ослабления влияния этих факторов используют стабилизаторы напряжения. В схемах стабилизаторов обязательно наличие некоторого опорного (эталонного) напряжения. В качестве источника такого напряжения обычно применяют стабилитроны. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рис. 1.1,а.

Рис. 1. 1

В стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на p-n переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Участок 1-2 на рис. 1.1,а является рабочим участком вольт-амперной характеристики стабилитрона. При снятии характеристики стабилитрона бывает удобно по горизонтальной оси откладывать ток через стабилитрон, как это показано на рис. 1.1,б.

Основным параметром прибора является напряжение стабилизации U_ст, обычно сопровождаемое указанием тока I_ст, при котором оно измерено. На рис. 1.1,б этому соответствует U_{ст тест} при токе I_{ст тест}. Нередко этой точке соответствует минимальная температурная зависимость напряжения стабилизации. Точке 1 соответствует минимальный ток стабилитрона I_{ст. мин}, при котором наступает пробой и, собственно, с которой начинается стабилизация. Обычно эта величина составляет около 3 мА. Точке 2 соответствует максимальный ток стабилитрона I_{ст. мак}, достижение которого еще не приводит к тепловому пробою p-n перехода. В зависимости от типа стабилитрона величина I_{ст. мак} может быть от нескольких миллиампер до 1,5 А.

Параметром, характеризующим наклон рабочего участка характеристики, является динамическое сопротивление стабилитрона:

r_д = (U₂ - U₁) / (I₂ - I₁) = U_ст / I_ст . (1.1)

Эта величина для низковольтных стабилитронов находится в пределах 1–30 Ом, а для высоковольтных — 18–300 Ом.

С использованием стабилитрона строятся параметрические стабилизаторы напряжения. Типовая схема такого стабилизатора приведена на рис. 1.2. Она состоит из добавочного сопротивления R1 и стабилитрона VD. Выходное напряжение U_вых на нагрузке R_н совпадает с напряжением стабилизации U_ст стабилитрона.

Рис .1.2

Техническое задание на проектирование стабилизатора может быть поставлено по-разному. В лабораторной работе исходными данными для расчета стабилизатора напряжения являются:

1) выходное стабилизированное напряжение U_ст = U_вых ;

2) номинальное значение тока нагрузки I_н, а, следовательно, и сопротивление нагрузки R _н;

3) относительные отклонения δ₊ и δ_– входного напряжения стабилизатора от номинального значения U_{вх ном} и сопротивления R_н .

Приведем основные соотношения, необходимые для расчета стабилизатора. На основании законов Кирхгофа

I = I_ст + I_н ; (1.2)

U_вх = I*R_д + U_вых . (1.3)

Отсюда для тока стабилитрона можно получить

I_ст = (U_вх – U_вых) / R1 – U_вых / R_н. (1.4)

В условиях нормальной работы стабилизатора напряжение на нагрузке U_вых = U_ст изменяется незначительно, так что для простоты можно считать его постоянным. Тогда I_ст будет изменяться только от изменения U_вх и сопротивления нагрузки R_н.

Расчет стабилизатора фактически сводится к определению номинального значения входного напряжения U_вх и выбору сопротивления R1 так, чтобы при наихудших условиях ток через стабилитрон не становился меньше минимального и больше максимального:

I_{ст. мин} <= I_ст <= I_{ст. макс.} (1.5)

Номинальное значение напряжения питания стабилизатора U_{вх ном} (обычно это напряжение выпрямителя) вычисляется по формуле

. (1.6)

Если знаменатель получается отрицательным, то необходимо уменьшить пределы нестабильности выходного напряжения или/и диапазон изменения тока нагрузки или использовать стабилитрон с большим I_{ст мак}.

Сопротивление резистора R1 вычисляют по формуле

. (1.7)

Максимальные мощности, рассеиваемые резистором и стабилитроном, рассчитывают по формулам

; (1.8)

P_{ст мак} = U_вых*I_{ст. мак} . (1.9)

Показателем качества стабилизации напряжения служит коэффициент стабилизации K_ст, показывающий, во сколько раз относительное приращение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения:

K_ст =δU_{вх /} δU_вых = (U_вх / U_{вх ном}) _/ (U_вых / U_{вых ном}) . (1.10)

Если известно динамическое сопротивление стабилитрона, то коэффициент стабилизации можно вычислить по формуле

. (1.11)

Коэффициент сглаживания пульсаций, обеспечиваемый параметриче­ским стабилизатором, близок к K_ст.

В общем случае значения коэффициента стабилизации различны на каждом участке характеристики стабилизатора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора обычно не превышает 20 –50.

Выходное сопротивление стабилизатора рассматриваемого типа

R_вых = r_д || R1  r_д . (1.12)

Параметры стабилизатора можно улучшить, если для обеспечения постоянства выходного напряжения включить между входным напряжением и сопротивлением нагрузки какой-нибудь элемент с регулируемым сопротивлением. Устроенные таким образом стабилизаторы называют последовательными стабилизаторами.

П ростейшим последовательным стабилизатором напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения, как это показано на рис. 1.3,а.

Р и с. 1.3

Из рис. 1.3,а видно, что выходное напряжение U_вых определяется выражением

U_вых = U_ст – U_бэ . (1.13)

Следовательно, в этой схеме выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину падения напряжения на переходе база–эмиттер открытого транзистора (около 0,5 – 0,7 В). Из-за наличия отрицательной обратной связи по напряжению выходное сопротивление стабилизатора мало и может составлять доли ома.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, то на базу следует подавать часть опорного напряжения, снимаемого с движка потенциометра, как это показано на рис. 1.3,б. Сопротивление потенциометра обычно в (2 – 5) раз больше, чем R1.