Методичка по лабораторным 4_8_9 / LAB1_9

Работа 9. СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

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

Рис. 9.1

Интегральные полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения серии К142 представляют собой стабилизаторы непрерывного действия трех типов: с регулируемым выходным напряжением (К142ЕН1-2, К142ЕНЗ-4, К142ЕН10), с фиксированным выходным напряжением (К142ЕН5-9) и с двухполярным выходным напряжением (К142ЕН6).

Микросхема типа КР142ЕН1Г 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 питания.

Принципиальная схема микросхемы КР142ЕН1Г приведена на 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, включающей в себя элементы VT1–VT4, VД1–VД3, R1–R3; дифференциальный усилитель сигнала рассогласования (ДУ) VT5–VT9.

Рис. 9. 2

Рис. 9. 3

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 С1.

СН работает следующим образом. При изменении по какой-либо причине выходного напряжения часть его через делитель обратной связи R1, 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 VТ14). 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 СН от перегрузки по току используется схема рис. 9.2, где резистор R3 является датчиком тока. При увеличении тока нагрузки падение напряжения на резисторе R3 увеличивается и, когда оно достигает значения U_Э.б1б = U_Э.б.пор  0,65 В, транзистор VT12 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 привести к перегрузке по мощности микросхемы и выходу ее 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 (%/B):

,

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

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

,

где U_вых – приращение напряжения на выходе СН, вызванное изменением тока нагрузки на I_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 максимально допустимому. Нагрузочная характеристика (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 отношением

, (9.1)

где U_VD1 – 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:

, (9.2)

На рис. 9.4, б приведены зависимости Р_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 по мощности достигается, абсолютное значение мощности не остается постоянным. Максимальное значение мощности достигается при некотором значении входного напряжения

U_ВХ0=U_ВЫХ+0,5U_UD1+0,5(R₄+R₅)U_Э.б.ПОР/R₅.

Схема лабораторного макета приведена на рис. 9.5, где А1 —микросхема типа КР142ЕН1Г; С2, СЗ —конденсаторы частотной коррекции; R1, 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 защиты стабилизатора от перегрузки по выходному току и рассеиваемой мощности (см. рис. 9.2 и 9.3).

2. Намерения 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, выпотненных по схемам, приведенным на рис 9.2 и 9.3. Для этого расчитать 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 0м,

— 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_VD1 =3,3 В, R₃ = 4 Ом, R₄ = 5 кОм, R₅ = 200 Ом.

Рис. 9. 5

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 значении 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 15В; при этом выходное напряжение должно установиться равным 5В±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.

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 S1 перевести в положение 2, R₃ = 4 Ом, измерения провести для двух значений входного напряжения: U_ВХ = 10 В и U_ВХ = 15 В. Таблица результатов должна содержать расчетные экспериментальные значения I_{Н. МАКС}, I_ОСТ и Р_макс.

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?