Дослідження стабілізаторів напруги

МЕТА РОБОТИ

Вивчити принцип роботи і дослідити характеристики пара­метричних та компенсаційних стабілізаторів постійної напруги.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Стабілізатором напруги називають пристрій, який автоматично підтримує сталу напругу на навантаженні при зміні вхідної напруги і струму навантаження. Стабілізатори напруги використовують для живлення електронної апаратури. Вони характеризуються такими параметрами:

– коефіцієнтом стабілізації – відношення нестабільності напруги на вході стабілізатора до нестабільності напруги на його виході:

, (4.І)

де U _вх, U _вих – номінальні напруги на вході і виході стабілізатора; ∆ U _вх, ∆ U _вих– зміни напруги на вході і виході стабілізатора;

– вихідним диференційним опором, який характеризує зміну вихідної напруги при зміні струму навантаження та сталій вхідній напрузі:

при U _вх = const, (4.2)

де ∆ І _вих– зміна струму навантаження;

– коефіцієнтом корисної дії, який дорівнює відношенню потужності на навантаженні до номінальної вхідної потужності:

; (4.3)

– температурним коефіцієнтом напруги (ТКН) – відношення зміни вихідної напруги ∆ U _вихдо зміни температури навколишнього середовища ∆ t °, яка спричинила зміну напруги:

. (4.4)

За принципом дії стабілізатори поділяють на параметричні та компенсаційні.

Метод параметричної стабілізації базується на використанні нелінійних елементів з вольт-амперними характеристиками, що мають ділянку, в межах якої напруга на елементі практично постійна і не залежить від протікаючого в ньому струму. Принцип роботи параметричних стабілізаторів ґрунтується на зміні опору нелінійних елементів при зміні струму. Стабілізація вихідної напруги досягається перерозподілом напруг між елементами стабілізатора.

Суть компенсаційного методу стабілізації полягає в автоматичному регулюванні вихідної напруги. В компенсаційних стабілізаторах відбувається порівняння фактичного значення вихідної напруги пристрою з її заданим значенням. В залежності від значення і знаку різниці між цими величинами автоматично здійснюється зміна параметрів активних елементів стабілізатора, яка сприяє зменшенню цієї різниці.

В якості нелінійних елементів параметричних стабілізаторів напруги використовують кремнієві стабілітрони, вольт-амперна характеристика яких зображена на рисунку 4.1.

Рисунок 4.1. Вольт-ампер­на характеристика стабілітрона

Схема параметричного стабілізатора напруги приведена на рисунку 4.2. Стабілітрон VD вмикається в зворотному напрямі паралельно до навантаження R_н. Для створення робочого режиму вводять обмежуючий резистор R₀, опір якого вибирають таким, щоб робоча точка р на вольт – амперній характеристиці (рисунок 4.1) знаходилася у середині її лінійної ділянки. На цій ділянці при

Рисунок 4.2– Схема параметричного стабілізатора напруги

зміні струму через стабілітрон від І_{ст. мін} до І_{ст. макс} напруга на ньому мало змінюється ∆U _ст . Оскільки навантаження R_н з’єднане паралельно із стабілітроном VD, напруга на ньому також буде практично сталою. При збільшенні вхідної напруги U_вх зростає струм, який протікає через обмежуючий резистор R₀. Цей струм, згідно з першим законом Кірхгофа, дорівнює сумі струмів стабілітрона і навантаження. Оскільки напруга на стабілітроні, а отже, і на навантаженні R_н практично не змінюється, струм навантаження І_вих залишається сталим. Отже, практично весь приріст струму обмежуючого резистора проходить через стабілітрон VD. При цьому робоча точка стабілітрона р зміщуватиметься вниз. Таким чином, майже всі зміни вхідної напруги у цій схемі будуть виділятися на обмежуючому резисторі R₀.

Якщо напруга на вході стабілізатора U _вх стала, струм через обмежуючий резистор R ₀також буде сталий: І _вх = І_VD + І _вих = const. Якщо струм навантаження збільшиться на ∆ І _вих, струм через стабілітрон зменшиться так само: ∆ І_VD = – ∆ І _вих. При цьому робоча точка р зміститься вверх, а вихідна напруга практично не зміниться. Коефіцієнт стабілізації параметричного стабілізатора:

, (4.5)

де R _д - диференційний опір стабілітрона:

(R _д = ∆ U _ст / (І _{ст. макс} – І _{ст. мін} ). (4.6)

Вихідний диференційний опір параметричного стабілізатора визначається за формулою (4.2).

Параметричні стабілізатори найчастіше використовують для живлення малопотужних навантажень. Головна їх перевага – проста схема. Недоліки: неможливо контролювати вихідну напругу U _вих на навантаженні; невисокий коефіцієнт стабілізації (k _ст = 8 ÷ 20); порівняно великий вихідний диференційний опір R _вих (R _д ); малий коефіцієнт корисної дії .

Компенсаційні стабілізатори поділяють за двома типами регулювання: неперервним та імпульсним.

Компенсаційні стабілізатори неперервної дії в порівнянні із параметричними мають вищу якість стабілізації напруги, більшу вихідну потужність і ширший діапазон регулювання стабілізованої напруги. За способом ввімкнення регулюючого елементу розрізняють послідовну і паралельну схеми стабілізації.

В послідовній схемі стабілізатора (рисунок 4.3) регулюючий елемент РЕ (транзистор) ввімкнений послідовно до навантаження R _н. Частина вихідної напруги U _вих через подільник напруги ПН, поступає на елемент порівняння ЕП з опорною напругою U _ОП, яка створюється джерелом опорної напруги ДН. Різниця напруг між вихідною та опорною:

U _ЕП = k _ПН U _вих – U _ОП, (4.7)

де k _ПН - коефіцієнт передачі ПН.

Різниця напруг підсилюється підсилювачем постійного струму ППС і поступає на керуючий вхід РЕ. Дія кола регулювання полягає в тому, що зміна вхідної напруги ∆ U _вх викликає відповідну зміну спаду напруги на РЕ (∆ U _РЕ ≈ ∆ U _вх). У випадку коли (U _РЕ = U _вх) напруга на виході U _вих залишатиметься сталою.

Рисунок 4.3 – Послідовна структурна схема

компенсаційного стабілізатора

В паралельній схемі стабілізатора (рисунок 4.4) РЕ вмикається паралельно до навантаження. Стабільність вихідної напруги U _вих досягається за рахунок залежності спаду напруги на обмежуючому резисторі R ₀ від струму І _РЕ, який протікає через РЕ. Вихідна напруга залишатиметься сталою, якщо R ₀ ∆ I _PE =∆ U _вх.

Рисунок 4.4 – Паралельна структурна схема

компенсаційного стабілізатора

Послідовні компенсаційні стабілізатори мають дещо більший коефіцієнт корисної дії η. Їх недоліком є низька надійність при максимальних навантаженнях і в режимі короткого замикання, що пояснюється послідовним ввімкненням РЕ і швидким виходом регулюючого транзистора з ладу при коротких замиканнях, внаслідок теплового пробою. Такі стабілізатори мають схеми захисту від перенавантажень.

Одна із схем послідовного компенсаційного стабілізатора з неперервним регулюванням зображена на рисунку 4.5. Регулюючий елемент виконаний на транзисторі VT ₂, підсилювач постійного струму – на транзисторах VT ₃ i VT ₄ та резисторі R ₃. Одночасно транзистор VT ₄ є елементом порівняння, де вихідна напруга, яка подається через подільник напруги (резистори R ₅, R ₆, R ₇), порівнюється з опорною напругою U _ОП, створеною джерелом опорної напруги, яке являє собою параметричний стабілізатор напруги (стабілітрон VD ₂ і резистор R ₄). На транзисторі VT ₁, стабілітроні VD ₁, резисторах R ₁, R ₂ виконане джерело струму.

Рисунок 4.5. Принципова схема послідовного

компенсаційного неперервного стабілізатора

Розглянемо роботу стабілізатора, наприклад, при зростанні вхідної напруги U _вх на значення ∆ U _вх. Припустимо, що вихідна напруга при цьому також зростає, так як

U _вих = U _вх – U _КЕ2. (4.8)

Дія кола зворотного зв’язку сприяє збільшенню U _КЕ2. Напруга U _БЕ4 транзистора VT ₄ при збільшенні U _вих також зростає:

U _БЕ4 = k _ПН U _вих – U _ОП. (4.9)

Це призводить до збільшення струму колектора транзистора VT ₄:

І _К4 = (h _21E / h _11E) U _БЕ4 (4.10)

і внаслідок цього, зменшення струмів бази і емітера транзистора VT ₃:

І _Б3 = І _Е1 - І _К4; І _Е3 = (1 + h _21E) I _Б3. (4.11)

Струм І _Б2 при цьому також зменшується, а спад напруги U _KE2 на транзисторі VT ₂ збільшується, що викликає зменшення напруги U _вих, яка залишається практично сталою.

Рисунок 4.6 – Принципова схема послідовного

компенсаційного імпульсного стабілізатора

Істотний недолік компенсаційних стабілізаторів з неперервним регулюванням – це порівняно низький коефіцієнт корисної дії (η ≈ 50%). Цей недолік усувається в компенсаційних стабілізаторах з імпульсним регулюванням. В останніх регулюючий транзистор працює в ключовому режимі: він або відкритий і спад напруги на ньому практично близький до нуля, або закритий і через нього протікає незначний струм. В обох випадках втрати потужності на регулюючому транзисторі невеликі. Коефіцієнт корисної дії імпульсних стабілізаторів: η ≈ 0,92 ÷ 0,98.

Схема імпульсного стабілізатора напруги зображена на рисунку 4.6.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1.Дослідити параметричний стабілізатор напруги (рисунок 4.2). Встановивши за допомогою R _н значення струму навантаження І _вих ≈ І _{вих.макс} / 2 і, змінюючи вхідну напругу U _вх , спостерігати зміну вихідної напруги U _вих = F ₁(U _вх). Результати записати в таблицю 4.1.

Встановити на вході напругу U _вх ≈ U _{вх. макс} і, змінюючи опір навантаження R _н, зняти вихідну характеристику стабілізатора U _вих = F ₂ (І _вих). Результати записати в таблицю 4.2.

2.Дослідити компенсаційний стабілізатор з неперервним регулюванням (рисунок 4.5). Зняти характеристики U _вих = F ₃ (U _вх). та U _вих = F ₄ (І _вих) згідно з пунктом 1. Результати записати в таблицю 4.1 та 4.2.

3.Дослідити компенсаційний імпульсний стабілізатор (рисунок 4.6). Зняти характеристики U _вих = F ₅ (U _вх) та U _вих = F ₆ (І _вих) згідно з пунктом 1. Результати записати в таблицю 4.1 та 4.2. Зарисувати з екрану осцилографа на кальку або міліметровий папір криву напруги на колекторі транзистора VT ₁ при різних значеннях вхідної напруги U _вх та вихідного струму І _вих.

Таблиця 4.1

U вх, В
U вих, В	Параметричний І вих =, мА
Компенсаційний неперервної дії І вих =, мА
Компенсаційний імпульсний І вих =, мА

Таблиця 4.2

І вих, мА
U вих, В	Параметричний U вх =, В
Компенсаційний неперервної дії U вх =, В
Компенсаційний імпульсний U вх =, В

ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

1.Побудувати графіки залежностей вихідної напруги від вхідної напруги, та вихідної напруги від вихідного струму для трьох типів стабілізаторів.

2.Визначити коефіцієнти стабілізації досліджуваних стабілізаторів.

3.Розрахувати значення вихідного диференційного опору R _вих стабілізаторів та їхні коефіцієнти корисної дії η.

4.Проаналізувати роботу компенсаційного імпульсного стабілізатора.

Зробити висновки про виконану роботу.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1.Поясніть принцип роботи параметричного стабілізатора.

2.Поясніть принцип роботи компенсаційного стабілізатора напруги з неперервним регулюванням, призначення і взаємодію його вузлів.

3.Як визначаються основні параметри стабілізатора?

4.Перерахуйте можливі способи збільшення коефіцієнта стабілізації компенсаційного стабілізатора з неперервним регулюванням.

5.Порівняйте за основними показниками послідовні та паралельні компенсаційні стабілізатори.

6.Поясніть, яким чином можна збільшити навантажувальну здатність послідовного компенсаційного стабілізатора.

7.Поясніть принцип роботи і призначення елементів компенсаційного стабілізатора з імпульсним регулюванням.