Экспериментальная проверка работы параметрического стабилизатора

Входное напряже-­ ­ние Uвх, В	Ток стабилитро­­на Iстаб, мА	Ток нагрузки Iн, мА	Выходное напряже­- ние Uвых, В
min =6.12 ном.=7.65 max =9.18	min =14.518 ном.=49.301 max =84.53	min =9.938 ном.=10.0 max =10.028	min =5.068 ном.=5.1 max =5.114

Дифференциальное сопротивление стабилитрона находится из:

Ома.

Коэффициент стабилизации теоретический по r_диф

.

Коэффициент стабилизации экспериментальный по табл.17.3

.

Совпадение теоретического и экспериментального значений коэффициента стабилизации достаточно хорошее. Стандартная величина коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора лежит в пределах К_ст = 10...30. Для получения коэффициента стабилизации напряжения с уровнями до 1000 и более применяют компен­сационные стабилизаторы.

6. Находим нестабильность выходного напряжения:

%.

Компенсационные стабилизаторы напряжения. Компенса­ционные стаби­лизаторы являются устройствами автоматического регулирования выходной величины. Стабилизатор напряжения поддерживает на­пряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими стабилизаторами компенсационные отличаются большими выход­ными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации. В состав компенсационного стаби­лизатора напряжения обычно входят следующие устройства: регу­лирующий компонент РК, устройство измерения УИ, усилитель постоян­ного тока УПТ. Регулирующий компонент включается последова­тельно (рис.17.10, а) или параллельно (рис.17.10,б) нагрузке. Чаще всего применяют стабилизаторы с последовательным РК, благода-

­ря высокому коэффициенту стабилизации и более высокому КПД. Стабилизаторы с параллельным РК используются в схемах с пере­груз­ка­ми по току и короткими замыканиями в нагрузке.

Рис.17.10. Структурные схе­­­­мы компенсаци­он­ных ста­­­би­­лиза­то­ров с последовательным (а) и параллель-­­­

­­ным­ (б) включением РК

В зависимости от тока нагрузки в качестве регулирующего ком­понента используется один или несколько транзисторов. На рис.17. 11 приведены схемы регулирующих компонентов, отличающиеся чис­лом используемых транзисторов и их соединением. Минимальное па­дение напряжения U_р.к.min в схеме, представленной на рис.17.11,а, оп­ределяется зависимостью U_р.к.min= U_КЭ1нас + U_ЭБ2, где U_КЭ1нас - на­пряжение коллектор-эмиттер транзистора VT₁ в режиме насыщения; U_ЭБ2 - напряжение эмиттер-база транзистора VТ₂.

Для регулирующего элемента, приведенного на рис.17.11,б, спра­ведливо равенство U_р.к.min =U_КЭ1нас+U_ЭБ2+U_ЭБ3, где U_ЭБ3 - напряже­ние эмиттер-база транзистора VT₃.

Рис.17.11. Регулирующие компоненты на транзисторах: составные на двух

транзисторах (а, д) и составные на трех транзисторах (б, в, г, е)

В схемах стабилизаторов, представленных на рис.17.11, позиции в, г, е, ис­пользуется дополнительный источник напряжения U_доп, благодаря чему снижается минимальное падение напряжения. Для схемы на рис.17.11,в, имеем U_р.к.min = U_КЭ2нас+U_ЭБ3.

Для схемы, приведенной на рис.17.11,г, U_р.к.min определяется за­висимостью U_р.к.min = U_КЭ3нас.

В схеме регулирующего компонента с дополнительной симметрией и стабилизатором тока СТ U_р.к.min = U_ЭБ2 + U_КЭ1нас.

В данном случае уменьшение U_р.к.min достигается благодаря тому, что при дополнительной симметрии напряжение насыщения U_КЭ1нас меньше напряжения база-эмиттер U_ЭБ1.

Включение в схему стабилизатора дополнительного источника напряжения и стабилизатора тока снижает падение напряжения, минимальное значение которого U_р.к.min = U_ЭБ2 + U_КЭ1min - U_доп, при этом должно соблюдаться условие U_доп ≥ U_ЭБ2 + U_КЭ1min - U_ЭБ2.

При выполнении указанного условия напряжение U_р.к.min можно уменьшить до значения, близкого к U_КЭ1нас.

Усилитель постоянного тока может быть выполнен вместе с устройством из­мерения. На рис.17.12,а приведена простая схема УПТ,

со­­­держащая один транзис­тор VТ₁, делитель выходного напряже­ния R₃,R₄,R₅, источник опорного напря­жения (стабилитрон VD₁) и дополни­тельный источник напряжения U_доп для обеспечения необходимого режима работы транзистора VТ₁. Напряжение к коллектору транзистора может подаваться не от дополнительного источника, а с выхода

Рис.17.12. Схемы УПТ с од­­ним транзистором и од­ним дополнительным источником (а) и одним тран­зистором и двумя дополни­тельными ис­точ­­ника­­ми (б)

стабилизатора напряже­ния. Выходное напряже­ние U_вых в рассматри­ваемой схеме выше опорного U_оп. Если необходимо по­лу­чить выходное напряжение ниже опорного, то можно применить схе­му с двумя дополнительными источниками U_доп1 и U_доп2 (рис.17.12,б).

В стабилизаторах напряжения в качестве УПТ можно использо­вать операционный усилитель. Это позволяет повысить коэффициент стабилизации по сравнению с однокаскадными УПТ. В качестве при­мера на рис.17.13 приведена схема компенсационного стабилизатора напряжения с операционным усилителем (ОУ) типа К153УТ1.

Осо­бенностью дан­ной схемы является на­ли­чие входного делителя напряжения R₁, R₂, напряжение с которого через диод подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Такое схемное ре­шение применено для обеспечения надежно­го включения стабилизатора в режим стаби­лизации при подаче входного напряжения. В некоторых случаях в процессе включения имеет место сбой в связи с тем, что при доста­точно большом напряжении смещения ОУ его выходной каскад входит в режим насыще­ния и его выходное напряжение не превыша­ет десятых долей вольта. Это напряжение ниже уровня, необходимого для открывания транзистора регулирующего компонента.

Рис.17.13. Схема компенсационного стабилизатора напряжения с ОУ

типа К153УТ1 (1-8 выводы микросхемы)

Сопротивление входного делителя напряжения выбирают из условий:

; , (17.17) где U_VD1max – максимальное падение напряжения на диоде VD₁; U_вх.min и U_вх.max – минимальное и максимальное входные напряжения стабилизатора; U_см.max – максимальное напряжение смещения ОУ; U_н.вх – напряжение на неинвертирующем входе ОУ при номинальном режиме стабилизатора.

Диод VD₁ выбирают с малым значением обратного тока.

Операционные усилители применяются в основном в ИЭП с выходным напряжением свыше 30В.

Контрольные вопросы

1. Виды выпрямителей и их характеристики, классификация выпрямителей? Схемы одно-, двух-, трёхфазных выпрямителей – временные диаграммы, сравнительные характеристики, мостовые схемы?

2. Как определить амплитудное значение напряжения переменного тока по показаниям прибора, измеряющего действующее его значение?

3. В чём преимущества трёхфазной мостовой схемы выпрямления переменного тока (схемы Ларионова) перед всеми остальными?

4. Стабилизаторы напряжения и тока – основные соотношения?

5. Параметрические стабилизаторы напряжения – схемное построение, основные соотношения, температурная стабилизация, практическая работа?

6. Как обеспечить экспериментальное определение дифференциального сопротивления стабилитрона?

7. Проведите инженерный расчёт параметрического стабилизатора на выходное напряжение U_вых =12 вольт и ток нагрузки I_н =30 мА?

8. Как при проектировании параметрического стабилизатора обеспечить условие превышения тока стабилитрона над током нагрузки, если стабилитроны имеют какие-то фиксированные значения номинальных токов?

9. Поясните смысл термина «коэффициент стабилизации» параметрического стабилизатора?

10. Как определить выходное сопротивление стабилизатора?

11. Компенсационные стабилизаторы напряжения – структурные схемы, основные соотношения, преимущества, практическая реализация?

ВЫВОДЫ

В настоящей книге авторы постарались в доступной форме изложить совокупность тех вопросов, которые должны усвоить студенты направления 230100 «Информатика и вычислительная техника» для успешного понимания в дальнейшем дисциплин аппаратного цикла, а также должны знать специалисты в области электроники, автоматики, вычислительной техники.

Элементная и компонентная базы электроники быстро изменяются. Для их освоения и грамотного использования необходима достаточно глубокая теоретическая подготовка. Без неё тяжело или невозможно выполнять проектирование электронных функциональ­ных узлов даже при использовании таких эффективных пакетов САПР, как Multisim, Micro-Cap V, P-Spice и др. Основные подходы и идеи работы электронных схем мало зависят от типа компонентной базы и определяются степенью понимания человеком основных законов электротехники и электроники. Успех определяется совокупностью базовых знаний учащегося, в том числе - в большей степени - глубиной знаний школьной программы и наличием навыков практического их использования.

В рамках своего понимания важности и значимости отдельных вопросов и целостности и системности знаний авторы пытались сохранить баланс между простотой изложения, строгостью и обоснованностью доказательств наиболее необходимых положений. Насколько это удалось – судить Вам, уважаемый читатель.

Мы надеемся, что учебное пособие будет полезно студентам, аспирантам и инженерам и как справочное пособие при изучении, разработке и эксплуатации технических средств электроники и вычислительной техники. Успехи развития технической базы этих областей знания, обеспечившие появление телевидения, компьютера, сотовой связи, – придали серьёзное ускорение темпам развития цивилизации человеческого общества в ХХ веке. Прогресс в этой области будет оказывать влияние на жизнь общества и в ХХ1 веке.