Методичка на лабораторные / Работа1_9

Работа 9. СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы состоит в определении коэффициентов нестабильности по входному напряжению и току нагрузки и в исследовании схем на щиты от перегрузки по выходному току и рассеиваемой мощности стабилизатора напряжения (СН) [3,5].

Интегральные полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения серии К142 представляют собой стабилизаторы непрерывного действия трех типов: с регулируемым выходным напряжением (К142ЕН1-2, К142ЕНЗ-4, K142EН10), с фиксированным выходным напряжением (K142EH5-9) и с двухполярным выходным напряжением (К142ЕН6).

Микросхема типа КР142ЕП1Г кроме основного своего назначения (стабилизации напряжения) способна выполнять и многие другие функции. Она может быть использована в качестве активного сглаживающего фильтра, стабилизатора тока, в различных пороговых устройствах, устройствах защиты от перегрузки по шине питания.

Принципиальная схема микросхемы КР142ЕН1Г приведена на рис. 9.1.

Рис. 9.1

Она включает в себя следующие функциональные узлы: регулирующий элемент (РЭ), выполненный на транзисторах VT10, VT11; источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН) с цепью запуска, включающий в себя элементы VT1 — VT4, VД1 — VДЗ, R1 — R3; дифференциальный усилитель сигнала рассогласования (ДУ) VT5 — VT9.

Типовые схемы включения микросхемы КР142ЕН1Г представлены на рис. 9.2 и 9.3. Поскольку СН является устройством с глубокой отрицательной обратной связью, для обеспечения устойчивости и получения требуемых динамических характеристик в его схему вводятся корректирующие конденса­торы С2, СЗ и входной конденсатор фильтра С 1.

Рис. 9.2

Рис. 9.3

СН работает следующим образом. При изменении по какой-либо причине выходного напряжения часть его через делитель обратной связи RI, R2 подается на инвертирующий вход усилителя сигнала рассогласования (вывод 3 микросхемы), где во входной цепи дифференциального усилителя сравнивается с опорным напряжением. Разностный сигнал усиливается и подается на управляющий вход РЭ (база транзистора VT14). Изменение входного тока РЭ приводит к изменению выходного тока СН, которое вызывает соответствующее компенсирующее приращение выходного напряжения.

Для организации функции защиты СН от перегрузки по выходному току и рассеиваемой мощности в микросхеме КР142ЕН1Г предусмотрена возможность подключения внешних элементов. В простейшем случае, для защиты СП от перегрузки по току, используется схема рис. 9.2, где резистор R3 является датчиком тока. При увеличении тока нагрузки и падение напряжения на резисторе R3 увеличивается и, когда оно достигает значения U_{э. б16} = U_{э. б.пор},. ≈ 0,65 В, транзистор VТ12 открывается и шунтирует выход усилителя сигнала рассогласования, ограничивая тем самым выходной ток стабилизатора. При длительном существовании перегрузки по току или коротком замыкании на выходе стабилизатора ограничение тока нагрузки на максимально допустимом уровне может три вести к перегрузке по мощности микросхемы и выходу ее из строя. Для предотвращения перегрузки по мощности используется схема СН рис. 9.3. В этом случае увеличение напряжения вход −выход стабилизатора приводит к снижению выходного тока за счет возрастания падения напряжения на резисторе R5.

9.1. Методика эксперимента и расчетные соотношения

Система параметров интегральных стабилизаторов напряжения приведена в работах [3, 5].

Наиболее важными статическими параметрами стабилизатора являются коэффициенты нестабильности по входному напряжению и току нагрузки:

— коэффициент нестабильности выходного напряжения при заданном изменении входного напряжения (%/В):

К _нсU = (ΔU_вых/ ΔU_вх U_вых) 100 ,

где ΔU_вых — приращение напряжения на выходе стабилизатора, вызванное изменением входного напряжения на ΔU_вх ;U_вых — статический уровень напряжения на выходе СН;

— коэффициент нестабильности выходного напряжения при заданном сбросе или набросе тока нагрузки (%/А):

К _{нс I} = (ΔU_вых/ ΔI_н U_вых) 100 ,

где ΔU_вых — приращение напряжения на выходе СН, вызванное изменением тока нагрузки на ΔI_н.

Максимально допустимый ток нагрузки стабилизатора (см. рис. 9.2) определяется как

I_{н макс} = U _{э.б. пор}/R₃

Остаточный ток (выходной ток СН в режиме короткого замыкания на выходе) в данном случае равен максимальнодопустимому. Нагрузочная характеристика СН (см. рис. 9.2) приведена на рис. 9.4,а, кривая 1.

Рис. 9.4

Максимально допустимый выходной ток стабилизатора (см. рис. 9.3) определяется соотношением

I_{н макс} = U _{э.б. 16}/R₃ -[(R₃ + R₅) (U_вх - U_вых - U_UD1)] R₂ (R₃ + R₄ + R₅), (9.1)

где U_UD1 — напряжение стабилизации стабилитрона VД1. Из рассмотрения выражения (9.1) очевидно, что увеличение напряжения вход — выход стабилизатора влечет за собой соответствующее снижение максимально допустимого тока нагрузки. Нагрузочная характеристика такого СН (см. рис. 9.4, а, кривые 2 и 3) имеет участок отрицательного сопротивления. Мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, рассчитывается на основании выражения (9.1) следующим образом:

P_Рэ ≈ [(U _{э.б. пор}]/R₃) - (R₅ (U_вх - U_вых - U_UD1)/ R₃ (R₄ + R₅))] (U_вх - U_вых ), (9.2)

На рис. 9.4, б приведены зависимости P_Рэ = f₁ (U_вх)_. Для СН, выполненных по схемам рис. 9.2 и 9.3. Кривая 2 демонстрирует преимущества стабилизатора с защитой от перегрузки по мощности. Она показывает, что хотя ограничение но мощности достигается, абсолютное значение мощности не остается постоянным. Максимальное значение мощности достигается при некотором значении входного напряжения

U_вхо = U_вых + 0,5 U_UD1 + 0,5 (R₄ + R₅) U _{э.б. пор}/R₅.

Схема лабораторного макета приведена на рис. 9.5, где A1 — микросхема типа КР142ЕН1Г; С2, СЗ — конденсаторы частотной коррекции; Rl, R2 — резисторы делителя обратной связи; R6 — переменное сопротивление нагрузки.

При снятии нагрузочных характеристик СН выходной ток (ток нагрузки) рассчитывается по падению напряжения на датчике тока R3.

9.2. Содержание работы

При выполнении работы необходимо произвести:

1. Проверочный расчет схем зашиты стабилизатора от перегрузки по выходному току и рассеиваемой мощности (см. рис. 9.2 и 9.3).

2. Измерение коэффициентов нестабильности выходного напряжения СН по входному напряжению и току нагрузки.

3. Экспериментальное исследование схем защиты стабилизатора.

9.3. Порядок выполнения работы

1. Построить нагрузочные характеристики СН, выполненных по схемам, приведенным на рис. 9.2 и 9.3. Для этого рассчитать максимально допустимый ток нагрузки и остаточный ток в режиме короткого замыкания на выходе СН при следующих исходных данных:

— для схемы рис. 9.2 R₃-= 8 Ом;

— для схемы рис. 9.3 расчет провести для двух значений входного напряжения: U_вх =10 В и U_вх =15 В при U_вых = 5 В, U_UD1 =3,3B, R₃ = 4 Ом, R₄ = 5 кОм, R₅ = 200 Ом.

2. Рассчитать мощность, рассеиваемую регулирующим элементом СН (см. рис. 9.2 и 9.3) в нормальном режиме U_вых = 5 В) и в режиме короткого замыкания на выходе (U_вых = 0). Расчет провести для двух значений входного напряжения: U_вх =10 В и U_вх =15 В. Сравнить полученные результаты.

3. Проверить исправность СН. Для этого переключатель S1 установить в положение 1, подключить входной конденсатор фильтра С1 и конденсатор нагрузки С₃=1 мкФ. Подать напряжение питания на СН U_ИП =10 − 15 В; при этом выходное напряжение должно установиться равным 5 В±5%.

Определить приращение напряжения на выходе стабилизатора при изменении входного напряжения в диапазоне от 10 до 20 В. Рассчитать коэффициент нестабильности СН по входному напряжению.

4. Переключатель S1 установить в положение 2, установить напряжение питания 10 В, подключить сопротивление нагрузки R6 и установить ток нагрузки равным 120 мА (ток нагрузки СН рассчитывается по падению напряжения на датчике тока R₃ = 4 Ом).

Отключить сопротивление нагрузки и измерить выходное напряжение СН Подключить сопротивление, нагрузки и определить приращение напряжения на выходе СН, вызванное изменением тока нагрузки. Рассчитать коэффициент нестабильности СН по току нагрузки.

Рис. 9.5

5. Экспериментально определить максимально допустимые токи нагрузки и остаточные токи в режиме короткого замыкания на выходе для СН, выполненных по схемам рис. 9.2 и 9.3. Режим измерения:

— для схемы рис. 9.2 переключатель S1 установить в положение 1, U_вх =10 В, R₃=8 Ом;

— для схемы рис. 9.3 переключатель SI перевести в положение 2, R₃ = 4Ом, измерения провести для двух значений входного напряжения: U_вх = 10 В и U_вх = 15 В.

Таблица результатов должна содержать расчетные и экспериментальные значения I_н. _макс, I _ост и Р_макс.

9.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

—- на этапе подготовки: расчет по пп. 1 и 2, схемы стабилизаторов (см. рис. 9.2 и 9.3);

— после выполнения работы: результаты измерений и расчетов, выводы по работе.

9.5. Контрольные вопросы

1. Каковы основные функциональные узлы микросхемы КР142ЕН1?

2. Как работает СН при изменении тока нагрузки?

3. Почему в схеме СН, представленной на рис. 9.3, увеличение падения напряжения вход — выход вызывает снижение уровня ограничения выходного тока?