Исследование параметрических стабилизаторов напряжения и тока. Цель работы: изучение принципов действия и исследование режимов работы параметрических стабилизаторов постоянного напряжения и постоянного тока

Цель работы: изучение принципов действия и исследование режимов работы параметрических стабилизаторов постоянного напряжения и постоянного тока.

Методические указания по подготовке к работе

Широко применяемые в источниках питания стабилизаторы напряжения и тока делятся на параметрические и автокомпенсационные.

В параметрических стабилизаторах (ПС) для достижения эффекта стабилизации применяются элементы, у которых зависимость сопротивлений от тока или напряжения существенно нелинейна. Принцип действия заключается в использовании особого стабилизирующего участка из вольтамперной характеристики, на котором наблюдается слабая зависимость тока от напряжения (в стабилизаторах тока) или напряжения от тока (в стабилизаторах напряжения).

В ПС на кремниевом стабилитроне (рис. 3.1, а) стабилизация напряжения происходит из-за наличия пологого участка его вольтамперной характеристики при обратном смещении (при электрическом пробое). Нагрузка включается параллельно стабилитрону. При изменении входного напряжения изменяется ток через стабилитрон I _с, вызывающий соответствующее изменение напряжения на так называемом балластном сопротивлении R _б, которое включается последовательно со стабилитроном и нагрузкой. Напряжение на стабилитроне (т. е. на нагрузке) поддерживается постоянным, так как любое изменение напряжения вызовет равное ему изменение напряжения на R _б. Если же имеют место отклонения тока нагрузки I _н при постоянном входном напряжении, то ток I_с изменяется таким образом, чтобы суммарный ток I _вх =I _н +I_с через R _б оставался постоянным, т. е. напряжение на нагрузке и в этом случае стабильно.

При больших изменениях сопротивления нагрузки в ПС напряжения необходимо подключение с стабилитрону эмиттерного повторителя (рис. 3.1, б), который позволяет повысить мощность и КПД стабилитрона.

В исследовании ПС тока (рис. 3.1, в) в качестве нелинейного элемента используется транзистор, у которого при фиксированном напряжении на базе коллекторный ток очень слабо зависит как от сопротивления нагрузки, так и от напряжения питания транзистора.

Описание лабораторной установки

Исследования проводятся на макете, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.2. Переменное напряжение сети поступает на трансформатор Тр1, мостовую схему выпрямления и преобразуется в постоянное напряжение, величина которого регулируется с помощью переключателя S 1. Переключатель S2 позволяет подключить к выпрямителю одну из исследуемых схем. В положении 1 переключателя включается стабилизатор напряжения на стабилитроне; в положении 2 – стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне с эмиттерным повторителем; в положении 3 – стабилизатор тока на транзисторе.

Стабилизатор напряжения состоит из стабилитрона VD1 и балластного сопротивления R1; стабилизатор с эмиттерным повторителем выполнен на транзисторе VT1, стабилитроне VD2 и резисторе R 7. Стабилизатор тока собран на транзисторе VT 2, стабилитронах VD 3, VD 4 и резисторах R13 – R15.

Переключатели S3, S4, S5 позволяют ступенчато изменять сопротивления нагрузки стабилизаторов. Токи в нагрузке регистрируются соответственно приборами pА1, pА2 и pА3. Контактные клеммы К1 – К6 позволяют подключать к различным точкам схемы осциллограф и цифровой вольтметр с целью наблюдения и измерения пульсаций, точного определения постоянных составляющих напряжений.

Порядок выполнения работы

1.Изучить схему установки, ее макет, порядок включения, назначение измерительных приборов и органов управления.

2.Исследовать работу схемы ПС напряжения на стабилитроне. Для этого необходимо включить установку, осциллограф и цифровой вольтметр. Перевести переключатель S2 в положение 1.

2.1.Снять зависимость режимов работы ПС напряжения на стабилитроне от входного напряжения U ₁. С этой целью:

а) переключатель S3 перевести в положение 3, S1 – в положение 1;

б) изменяя входное напряжение U ₁ переводом переключателя S1 из положения 1 в положение 5, регистрировать значения U ₁ и напряжения нагрузки U _н по показаниям цифрового вольтметра, поочередно подключая его к контактным клеммам К1 и К2; ток нагрузки I _н определять по показаниям миллиамперметра РА1; результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

При выполнении отчета дополнить табл. 1 расчетными данными, причем мощность Р1, подводимая к стабилизатору, рассчитывается как

,

где R ₁ = 50 Ом; мощность в нагрузке Р _н = U _н I _н, а коэффициент полезного действия КПД = Р _н / Р ₁.

Определить коэффициент стабилизации ПС:

.

в) Построить графики зависимостей U _н= f(U₁), КПД= f(U₁).

2.2. Исследовать зависимость режимов работы ПС напряжения на стабилитроне от сопротивления нагрузки. Для этого необходимо:

а) перевести переключатель S1 в положение 3, переключатель S3 – в положение 5;

б) изменяя сопротивление нагрузки переводом переключателя S3 из положения 5 в положение 1, измерить значения U ₁, U _н, амплитуд пульсаций U_{m 1}, U_{m н}, подключая поочередно цифровой вольтметр и осциллограф к клеммам К1 и К2; ток нагрузки I _н определить по показаниям миллиамперметра pА1; данные свести в таблицу 2.

Таблица 2

Выполняя отчет, дополнить табл. 2 расчетными величинами, причем значения коэффициента сглаживания пульсаций рассчитывается, как

Определить величину дифференциального сопротивления ПС.

.

в) Вычислить для каждого положения S3 R _н= U _н/ I _н, построить графики зависимостей U _н= f(R _н ), КПД= f(R _н ), К_с= f(R _н ).

3. Исследовать работу схемы ПС напряжения с эмиттерным повторителем. Переключатель S 2 перевести в положение 2.

3.1.Снять зависимость режимов работы этого ПС от входного напряжения. Переключатель S4 установить в положении 3, далее провести измерения и расчеты согласно п. 2.1, заполнив таблицу, аналогичную таблице 1, причем для регистрации показаний U _н и I _н использовать клемму К4 и миллиамперметр pА 2. Мощность Р ₁ в этом случае определяется как Р ₁ = U ₁ I _н. Построить графики зависимостей U _н= f(U₁), КПД= f(U₁), К_с= f(U₁).

3.2.Исследовать зависимость режимов работы ПС напряжения с эмиттерным повторителем от сопротивления нагрузки. Переключатель S1 перевести в положение 3, далее действовать в соответствии с последовательностью, описанной в п. 2.2. Заполнить таблицу, аналогичную таблице 2. Вычислить для каждого положения S3 R _н= U _н/ I _н, построить графики зависимостей U _н= f(R _н ), КПД= f(R _н ), К_с= f(R _н ).

4.Исследовать работу схемы стабилизатора тока, для чего установить переключатель S2 в положение 3.

4.1.Изучить зависимость режимов работы стабилизатора тока от входного напряжения U₁. Для этого переключатель S1 перевести в положение 1, а переключатель S5 – в положение 3. Переводя S1 из положения 1 в положение 5, регистрировать значения U _н, подключив цифровой вольтметр к клемме К6, и I _н по показаниям миллиамперметра pА3. Заполнить таблицу 3, и построить графики зависимостей I _н =f(U₁), U _н =f(U₁).

Таблица 3

4.2. Снять зависимость режимов работы стабилизатора тока от сопротивления нагрузки. Перевести переключатель S1 в положение 3, S 5 – в положение 1. Изменяя нагрузку переключением S5 из положения 1 в положение 5, измерить величины U ₁, I _н и U _н. Данные свести в таблицу 4.

Таблица 4

Вычислить для каждого положения S5 R _н= U _н/ I _н, построить графики зависимостей U _н= f(R _н ), I _н= f(R _н ).

Оформление отчета

В отчете должны быть представлены:

1.Исследуемые схемы параметрических стабилизаторов.

2.Таблицы, содержащие результаты измерений и расчетов.

3.Графики зависимостей измеренных и расчетных величин, указанных в соответствующих пунктах.

4.Краткие выводы по результатам исследований.

Библиографический список

1. Электропитание устройств связи: Учебник для ВУЗов/Под ред. Ю.Д. Козлова. -М.: Радио и связь, 1998.-С. 130-142.

2. Иванов-Цыганов А. И. Электропреобразовательные устройства РЭС. М.: Высшая школа, 1991. С. 152–161.

3. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: уч. пособие для вузов / В. М. Бушуев и др. – М.: Горячая линия-Телеком, 2011. С. 194 – 203.

______________