Содержание отчета
7.1 Наименование лабораторной работы.
7.2 Цель работы.
7.3 Перечень приборов и оборудования.
7.4 Принципиальная электрическая схема лабораторного макета.
7.5 Результаты измерений и вычислений (таблицы 8.1 и 8.2).
7.6 Графики зависимостей = f ( ), = f ( ) и = f ( ).
7.7 Расчет коэффициента стабилизации.
7.8 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).
7.9 Выводы по работе.
Контрольные вопросы
8.1 Укажите назначение функциональных узлов схемы исследуемого стабилизатора.
8.2 Как изменится сопротивление транзистора VT1, если входное напряжение стабилизатора увеличится (рисунок 8.1)?
8.3 Как изменяется и почему КПД исследуемого стабилизатора с ростом входного напряжения?
9 Содержание зачёта
Студент должен знать ответы на контрольные вопросы. Должен уметь проводить измерения, предусмотренные заданием на работу, анализировать результаты измерений.
10 Краткие теоретические сведения
Качество работы электронных устройств во многом определяется постоянством питающих их напряжения и тока. Основными причинами изменения напряжения (тока) питания являются непостоянство напряжения первичного источника питания, сопротивления нагрузки, температуры окружающей среды.
Напряжение промышленных сетей переменного тока может отклоняться от номинального значения в пределах (-15%; +5%). Для нормального функционирования устройств связи изменения напряжения (тока) электропитания не должны превышать (5 – 0,1)% номинального значения. Требования к постоянству питающего напряжения (тока) зависят от конкретного назначения устройств связи.
Поддержание напряжения (или тока) на выходе электропитающих установок с заданной степенью точности при действии различных дестабилизирующих факторов осуществляется с помощью специальных устройств – стабилизаторов напряжения (или тока).
Стабилизаторы автоматически подавляют как медленные, так и быстрые изменения питающего напряжения (тока) и осуществляют таким образом наряду со стабилизацией сглаживание напряжения (тока).
Основными параметрами стабилизаторов постоянного напряжения являются:
а) Коэффициент стабилизации по входному напряжению
=
(
/
)
(
/
),
(5)
где , соответственно приращение входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузке; , номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора.
б)
Внутреннее
сопротивление стабилизатора
,
равное отношению
приращения
выходного
напряжения
к приращению тока нагрузки
при неизменном
входном напряжении
.
(6)
в) Коэффициент сглаживания
,
(7)
где
,
- соответственно амплитуды пульсации
входного и выходного
напряжений стабилизатора.
г)
Температурный коэффициент стабилизатора,
равный отношению
приращения выходного напряжения
к
приращению температуры
окружающей среды
,
при неизменном входном напряжении
и токе нагрузки
= / . (8)
Основными параметрами стабилизаторов постоянного тока являются:
а) Коэффициент стабилизации по входному напряжению
=
(
/
)
(
/
),
(9)
где , соответственно ток и приращение тока в сопротивлении нагрузки.
б) Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки
,
(10)
где
,
соответственно
сопротивление нагрузки и приращение
сопротивления нагрузки стабилизатора
при постоянном входном
напряжении.
г) Коэффициент пульсации по току
,
(11)
где
амплитуда переменной составляющей тока
в нагрузке.
4. Температурный коэффициент стабилизатора
=
/
(12).
Помимо параметров, характеризующих качество стабилизации, стабилизаторы постоянного напряжения (тока) оцениваются по энергетическим показателям. Основной энергетический показатель стабилизаторов - коэффициент полезного действия η.
Стабилизаторы переменного напряжения характеризуются дополнительными параметрами, а именно, стабильностью выходного напряжения в зависимости от частоты питающего напряжения, коэффициентом мощности, искажением формы кривой выходного напряжения.
По принципу действия стабилизаторы подразделяются на параметрические и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используются нелинейные элементы. Стабилизация напряжения (тока) в таких стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольт-амперной характеристики используемого элемента.
Компенсационные стабилизаторы напряжения и тока по принципу работы подразделяются на два основных типа: непрерывного и ключевого действия.
Стабилизаторы напряжения непрерывного действия представляют собой линейные системы непрерывного автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Основными их функциональными узлами являются: регулирующий элемент (РЭ), с помощью которого уровень выходного напряжения поддерживается неизменным; схема сравнения и усиления постоянного тока (ССиУПТ); источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН). В рабочем режиме выходное напряжение стабилизатора или часть его сравнивается с напряжением опорного источника. Сигнал рассогласования, полученный в результате сравнения, усиливается усилителем постоянного тока УПТ и подается на РЭ. В зависимости от уровня усиливаемого сигнала рассогласования внутреннее сопротивление РЭ меняется таким образом, что напряжение на выходе стабилизатора остается постоянным с определенной степенью точности.
По
способу включения РЭ,
по отношению к сопротивлению нагрузки
и источнику входного напряжения
стабилизаторы подразделяются на
стабилизаторы с последовательным
(рисунок 8.2, а)
и параллельным регулированием (рисунок
8.2, б).
В стабилизаторах с параллельным
регулированием к упомянутым функциональным
узлам добавляется балластное сопротивление
.
На практике наиболее широкое распространение получили стабилизаторы с последовательным РЭ, как обладающие высокими стабилизирующими свойствами и сравнительно высоким КПД (до 70%). В таких стабилизаторах регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой и к нему приложено напряжение, равное разности входного и выходного напряжений. При коротком замыкании нагрузки все напряжение источника прикладывается к регулирующему элементу и на нем выделяется максимальная мощность. При холостом ходе регулирующий элемент работает при малых токах, что без принятия специальных мер приводит к повышению выходного напряжения. Поэтому в стабилизаторах с последовательным включением РЭ необходима защита по току и напряжению.
а) б)
Рисунок 8.2 Схемы компенсационных стабилизаторов напряжения:
а) с последовательным включением регулирующего элемента;
б) с регулирующим элементом, включённым параллельно с нагрузкой
Основное отличие схемы компенсационного стабилизатора тока от компенсационного стабилизатора напряжения состоит в том, что измеряемое выходное напряжение снимается с измерительного резистора, включенного последовательно с нагрузкой.
Ключевые (импульсные) стабилизаторы напряжения (КСН) представляют собой дискретную систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Среднее значение напряжения на выходе таких устройств поддерживается постоянным за счет автоматического изменения времени закрытого и открытого состояния регулирующего элемента.
В отличие от стабилизаторов с непрерывным регулированием импульсные стабилизаторы напряжения обладают более высоким КПД и лучшими удельными характеристиками по массе и объему. Однако импульсные стабилизаторы имеют высокий уровень пульсаций, акустических шумов и радиопомех, худшие динамические характеристики.
Электрическая принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения представлена на рисунке 8.3. В данной схеме в качестве регулирующего элемента выступает транзистор VT1, источником опорного напряжения является параметрический стабилизатор, собранный на резисторе R2 и стабилитроне VD1, на транзистор VT2 реализована схема сравнения и усилитель постоянного тока, R3 и R4- делитель напряжения, определяющий величиной выходного напряжения, резистор R1 задает начальное смещение на базе регулирующего транзистора.
Увеличение напряжения на нагрузке повышает отрицательный потенциал точки 2 по отношению к точке 1. Уменьшение выходного напряжения уменьшает отрицательный потенциал точки 2. К точкам 1 и 2 подключены соответственно эмиттер и база транзистора VT2. В первом случае при увеличении отрицательного потенциала базы по отношению к по отношению к потенциалу эмиттера, который определяется напряжением стабилитрона VD1, увеличивается ток коллектора транзистора VT2 и уменьшается отрицательный потенциал базы транзистора VT1 относительно его эмиттера. Сопротивление перехода эмиттер-коллектор транзистора VT1 увеличивается, падение напряжения на нем также увеличивается, вследствие чего напряжение на нагрузке возвращается в исходное состояние. Коэффициент стабилизации зависит от параметров и режимов работы применяемых элементов, от изменения тока нагрузки и входного напряжения.
Рисунок 8.3 Схема электрическая принципиальная компенсационного
стабилизатора
Рисунок 8.1 − Макет лабораторной работы. Схема электрическая принципиальная