Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование стабилизаторов постоянного напряжения

Цель работы

Изучение принципа действия параметрических и компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения и определение их основных параметров.

Краткие теоретические сведения

Для нормальной работы электронной аппаратуры часто требуются напряжения питания более стабильные, чем могут обеспечить обычные источники напряжения постоянного тока.

Повышение устойчивости питающего напряжения достигается применением специальных стабилизаторов напряжения.

Стабилизатором называют устройство, поддерживающее постоянным напряжение на нагрузке, при изменении самой нагрузки или входного напряжения. В цепях постоянного тока наибольшее распространение получили параметрические и компенсационные стабилизаторы напряжения.

Основным параметром, характеризующим качество работы стабилизатора напряжения, является коэффициент стабилизации

,

где - приращения входного и выходного напряжений; - номинальные значения входного и выходного напряжений.

Наиболее простым стабилизатором напряжения является параметрический, обеспечивающий значительно меньший коэффициент стабилизации, чем компенсационный.

стабилизатор постоянное напряжение параметр

Схема стабилизатора (рис. 2.1, а) содержит стабилитрон, включенный в обратном направлении, балластное сопротивление R_б и сопротивление нагрузки R_н. На рис. 2.1, б показана вольт-амперная характеристика стабилитрона, включенного в обратном направлении. При малых входных напряжениях U_вх, напряжение на стабилитроне U_ст будет также малым и ток стабилитрона I_ст будет ничтожно мал, так что можно считать его как бы отключенным от схемы. При этом I_вх = I_н и напряжения на резисторах R_б и R_н будут распределяться пропорционально их сопротивлениям, а зависимость будет приблизительно прямо пропорциональной.

Рис. 2.1. Схема параметрического стабилизатора напряжения (а) и его вольтамперная характеристика (б)

Когда входное напряжение возрастет настолько, что напряжение на стабилитроне достигнет величины пробоя, ток через стабилитрон резко возрастет. Это приведет к большому падению напряжения на балластном сопротивлении R_б, а выходное напряжение и при изменении входного напряжения в определенных пределах будет оставаться почти неизменным.

Сказанное иллюстрируется основной характеристикой параметрического стабилизатора , показанной на рис.2.2.

Величина балластного сопротивления R_б зависит от пределов изменения входного напряжения, тока нагрузки (I_н) и параметров стабилизатора (I_{ст min} и I_{ст max}).

Предельные значения определяются из выражений

.

Обозначения соответствующих величин приведены на рис. 2.1.

Рис. 2.2. Зависимость для параметрического стабилизатора напряжения

Для получения большего значения коэффициента стабилизации целесообразно выбрать значение R_б ближе к R_{б max}.

Компенсационный стабилизатор представляет собой простейшую автоматическую систему регулирования, работающую на принципе отрицательной обратной связи (ООС). Для реализации такого принципа устройство, кроме регулирующего (исполнительного) элемента (РЭ) должно содержать измерительный элемент, включающий в себя делитель напряжения (ДН), элемент сравнения (ЭС), источник эталонного напряжения U_{эт (}ИЭН) и усилитель постоянного тока (УПТ) (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Функциональная схема компенсационного стабилизатора.

Напряжение с выхода делителя напряжения, пропорциональное стабилизируемому параметру, сравнивается с эталонным напряжением и полученный сигнал ошибки U_ош = U_эт - k₁U_вых после усиления управляет коэффициентом передачи регулирующего элемента. Увеличение U_ош, вызванное уменьшением выходного параметра, приведёт к увеличению коэффициента передачи РЭ. Это вызовет восстановление исходного значения выходного напряжения U_вых. И наоборот, увеличение U_вых, уменьшая сигнал ошибки, уменьшает коэффициент передачи РЭ.

В зависимости от вида выполнения РЭ различают непрерывные и ключевые компенсационные стабилизаторы напряжения. В непрерывных компенсационных стабилизаторах в качестве РЭ используют биполярный или полевой транзистор, работающий в активном режиме (режим генератора тока). В ключевых стабилизаторах роль РЭ выполняют импульсные усилители мощности. Компенсационные стабилизаторы выполняются на полупроводниковых дискретных элементах и в интегральном исполнении. В данной работе исследуются и тот и другой. Рассмотрим подробнее компенсационный стабилизатор на дискретных элементах, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 2.4. Назначение элементов стабилизатора:

VT1 - мощный низкочастотный транзистор n-p-n типа, играющий роль регулируемого сопротивления (регулирующий элемент), выбирается по току нагрузки, падению напряжения U_кб;

VT2 - транзистор n-p-n типа, выполняющий задачу формирования сигнала рассогласования (ошибки) и управляющий режимом работы транзистора VT1; На вход VT2 подается сигнал ошибки, поступающий с измерительного элемента (ИЭ);

ИЭ включает в себя делитель R4, R5, R6 и источник опорного напряжения, функции которого выполняет стабилитрон VD7;

VD6 - стабилитрон (U_стаб около 12,6 В);

VD7 - стабилитрон (U_стаб около 6,8 В) - задает уровень опорного напряжения;

Коэффициент передачи делителя можно изменять потенциометром R5, тем самым задавая уровень выходного стабилизированного напряжения в пределах 7,5…10,5 В;

R1 - резистор, ограничивающий ток через VD6;

R2 - резистор, ограничивающий ток базы транзистора VT1 и ток коллектора транзистора VT2;

Элементы R1, VD6, R2 являются сглаживающим фильтром, понижающим коэффициент пульсаций подводимого к стабилизатору напряжения U_вх;

Резистор R3 ограничивает ток опорного стабилитрона.

Рассмотрим работу устройства. Выходное напряжение стабилизатора равно разности его входного напряжения и падения напряжения между выводами коллектора и эмиттера регулирующего транзистора VT1

U_вых = U_вх - U_{кэ VT1}.

В свою очередь, для U_КЭ справедливо выражение

U_{кэ VT1} = U_кб + U_бэ U_{кб VT1} + const.

Напряжение U_{кб VT1} определяется падением напряжения на резисторах R1 и R2

U_{кэ VT1} = I₁R₁+ I₂R₂ = U_вх - U_{вых упт}.

Выходное напряжение усилителя постоянного тока U_{вых упт} равно

U_{вых упт} = k (U_{б VT1} - U_{э VT2}),

где k - коэффициент усиления напряжения УПТ; (U_{б VT1} - U_{э VT2}) - напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 УПТ.

Возникновение любых отклонений выходного напряжения стабилизатора от установленного значения приводит к изменению тока базы транзистора VT2, и соответственно тока его коллектора. В результате этого изменяется сопротивление коллекторного перехода регулирующего транзистора VT1 так, что возникшее отклонение компенсируется.

Допустим, выходное напряжение U_вых стабилизатора за счет увеличения входного напряжения U_вх либо изменения нагрузки увеличилось. Тогда напряжение, снимаемое с делителя R4, R5, R6, тоже возрастает. Так как опорное напряжение , снимаемое с VD7, постоянно, сигнал ошибки U_ош = U_эт - k₁U_вых уменьшается, что приводит к уменьшению выходного напряжения УПТ (VT2) и к соответствующему уменьшению падения напряжения на резисторах R1 и R2. Напряжение U_кб VT1 уменьшается, VT1 подзапирается, его сопротивление увеличивается. Возникшее увеличение U_вых компенсируется повышением падения напряжения на VT1.

В результате этого выходное напряжение стабилизатора возвращается к исходному значению.

Чем выше коэффициент усиления по напряжению УПТ, тем точнее поддерживается уровень выходного напряжения и повышается скорость его восстановления. Если коэффициент усиления УПТ стремится к бесконечности, то выходное напряжение стабилизатора полностью определится коэффициентом передачи делителя напряжения на резисторах R4, R5, R6 и значением опорного (эталонного) напряжения U_оп.

При перемещении движка потенциометра R5 в нижнее по схеме положение разница между опорным напряжением и напряжением, снимаемым с делителя, становится большим, базовый и коллекторный токи VT2 увеличиваются, падение напряжений на R₁ и R₂ увеличиваются. В результате падение напряжения на VT1 снижается, а выходное напряжение возрастает до нового заданного уровня. Так плавно можно изменять величину стабилизируемого напряжения U_вых.

Рис. 2.4 Принципиальная схема компенсационного стабилизатора

Порядок выполнения работы

1. Исследование параметрического стабилизатора

Рис. 2.5 Схема для исследования параметрического стабилизатора

Таблица 1

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18	20
UвЫх, В	4.16	5.49	6.9	7.62	7.66	7.71	7.74	7.77
Iвх,mA	0.047	0.063	0.079	0.112	0.158	0.209	0.258	0.303
Iвых,mA	0.047	0.062	0.078	0.086	0.086	0.087	0.087	0.088
Rст	2.688827	2.661357	2.6759	2.462604	2.121884	1.868767	1.66759	1.506648

Rн = 4

Таблица 2.

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iвых, mА	0	0.016	0.038	0.056	0.087	0.154	0.217	0.265
Uвых, В	7.89	7.86	7.82	7.79	7.73	7.58	6.12	4.21
Iн	0	0.127226	0.255754	0.385109	0.517464	0.659631	0.980392	1.662708

схема 1 напряжение на входе 15В

график нагрузочной характеристики стабилизатора U_вых (I_н).

2. Исследование параметрического стабилизатора с последовательно включенным транзистором

Рис 2.6 Схема для исследования пассивного компенсационного стабилизатора с последовательным регулирующим транзистором

Таблица 3.

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18	20
UвЫх, В	5.25	6.85	7.15	7.21	7.25	7.28	7.31	7.32
Iвх,mA	0.06	0.079	0.126	0.178	0.231	0.285	0.335	0.38
Iвых,mA	0.059	0.077	0.081	0.081	0.082	0.082	0.083	0.083
Rст	5.917874	5.791063	4.835749	4.063607	3.502415	3.077295	2.746645	2.475362

Таблица 4.

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iвых, mА	0	0.015	0.036	0.052	0.082	0.144	0.246	0.416
Uвых, В	7.62	7.37	7.32	7.28	7.22	7.1	6.92	6.62
Iн	0	0.135685	0.273224	0.412088	0.554017	0.704225	0.867052	1.057402

По данным таблиц постройте графики U_вых= f (U_вх) и U_вых= f (I_н).

3. Исследование параметрического стабилизатора с параллельно включенным транзистором

Рис. 2.7 Схема для исследования пассивного компенсационного стабилизатора с параллельным регулирующим транзистором

Таблица 5.

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18	20
UвЫх, В	4.05	5.53	6.88	8.04	8.13	8.15	8.16	8.17
Iвх,mA	0.046	0.063	0.079	0.1	0.155	0.196	0.249	0.294
Iвых,mA	0.046	0.063	0.078	0.091	0.092	0.093	0.093	0.093
Rст	2.293689	2.348908	2.337864	2.276699	1.973301	1.730886	1.540453	1.388107

Таблица 6.

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iвых, mА	0	0.017	0.041	0.059	0.093	0.162	0.219	0.267
Uвых, В	8.29	8.27	8.23	8.2	8.14	7.97	6.16	4.24
Iн	0	0.120919	0.243013	0.365854	0.4914	0.627353	0.974026	1.650943

По данным таблиц постройте графики U_вых= f (U_вх) и U_вых= f (I_н).

4. Исследование компенсационного стабилизатора на дискретных элементах

Рис. 2.8 Схема для исследования компенсационного стабилизатора с последовательным регулирующим транзистором и усилителем в цепи обратной связи

Таблица 7

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18	20
UвЫх, В	4.61	6.11	6.16	6.2	6.22	6.25	6.28	6.3
Iвх,mA	0.063	0.091	0.092	0.094	0.095	0.096	0.097	0.098
Iвых,mA	0.052	0.069	0.07	0.07	0.07	0.071	0.071	0.071
Rст	6.364892	6.326923	5.102959	4.280079	3.680473	3.235947	2.890204	2.609467

Таблица 8

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iвых, mА	0	0.013	0.031	0.045	0.07	0.125	0.213	0.364
Uвых, В	6.32	6.3	6.28	6.25	6.22	6.14	6.01	5.79
Iн	0	0.15873	0.318471	0.48	0.643087	0.814332	0.998336	1.208981

По данным таблиц постройте графики U_вых= f (U_вх) и U_вых= f (I_н).

5. Исследование интегрального стабилизатора напряжения КР142ЕН8Б.

Рис. 2.9 Схема для исследования компенсационного интегрального стабилизатора напряжения КР142ЕН8Б

Таблица 9

Uвх, В	6	8	10	12	14	16	18	20
UвЫх, В	4.46	6.22	8.24	8.85	8.85	8.85	8.86	8.86
Iвх,mA	0.052	0.073	0.098	0.107	0.107	0.107	0.107	0.107
Iвых,mA	0.05	0.07	0.093	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
Rст	2.365152	2.473864	2.621818	2.346591	2.011364	1.759943	1.566162	1.409545

Таблица 10

RН	ХХ	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
Iвых, mА	0	0.018	0.044	0.064	0.1	0.178	0.305	0.523
Uвых, В	8.98	8.96	8.92	8.9	8.85	8.76	8.6	8.33
Iн	0	0.111607	0.224215	0.337079	0.451977	0.570776	0.697674	0.840336

По данным таблиц постройте графики U_вых= f (U_вх) и U_вых= f (I_н).

Размещено на Allbest.ru