Цель работы. 1. Изучить схемы и принцип работы параметрического и компенсационного стабилизаторов постоянного напряжения

1. Изучить схемы и принцип работы параметрического и компенсационного стабилизаторов постоянного напряжения.

2. Исследовать основные характеристики стабилизаторов.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Стабилизатор является составной частью выпрямительного устройства и служит для поддержания неизменным (в определённом допуске) напряжения на нагрузке, которое может меняться под действием различных дестабилизирующих факторов. Такими факторами могут быть, например, колебания напряжения сети, изменения сопротивления нагрузки.

Качество работы стабилизатора характеризуется следующими числовыми параметрами:

1) коэффициент стабилизации по напряжению

(1)

где DU_ВХ, DU_ВЫХ - абсолютные приращения входного и выходного напряжения стабилизатора соответственно;

2) выходное сопротивление

, (2)

где DI_Н – абсолютное приращение тока нагрузки.

По способу стабилизации стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные.

На рис.1 представлена схема параметрического стабилизатора напряжения. Основным элементом стабилизатора является полупроводниковый стабилитрон VD. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона имеет участок стабилизации, на котором напряжение стабилитрона зависит от тока очень незначительно (рис.2). Учитывая, что стабилитрон имеет нелинейную ВАХ, для описания работы параметрического стабилизатора напряжения можно использовать графические методы анализа нелинейных электрических цепей.

Рассмотрим работу стабилизатора на холостом ходу, т.е. при R_H = ¥ (I_H = 0). В этом случае балластный резистор R_Б и стабилитрон VD будут соединены последовательно, и данную цепь можно анализировать методом опрокинутой характеристики. На рис.2 представлены ВАХ стабилитрона (кривая 1) и опрокинутая ВАХ резистора R_Б (прямая 2). Точка их пересечения определяет значения напряжения на стабилитроне, равное U_ВЫХ и точка I = I_СТ.

Если, например, входное напряжение U_ВХ изменится на некоторую величину DU_ВХ, то прямая 2 сместится параллельно самой себе и займёт положение, показанное на рис. 2 пунктиром, и выходное напряжение на нагрузке изменится при этом весьма незначительно, т.е. DU_ВЫХ <<DU_ВХ.

При наличии нагрузки R_H ВАХ параллельного соединения стабилитрона VD и резистора R_H будет несколько отличаться от ВАХ стабилитрона, однако при условии R_Б /R_H < (U_ВХ -U_ВЫХ) / U_ВЫХ точка пересечения характеристик будет соответствовать участку стабилизации стабилитрона. Изменение нагрузки очень мало влияет на величину напряжения U_ВЫХ, поскольку, например, увеличение тока нагрузки I_H компенсируется уменьшением тока стабилитрона I_СТ.

Сопротивление балластного резистора R_Б выбирается так, чтобы обеспечить значение тока стабилитрона I_СТ, соответствующее номинальной величине I_СТ.НОМ, указанной в паспорте для данного типа стабилитрона.

Возможности регулирования выходного напряжения у параметрического стабилизатора отсутствуют.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора относительно невысок и составляет 20 … 50.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона на участке стабилизации и может находиться в диапазоне от долей Ома до десятков Ом.

Компенсационный стабилизатор представляет собой систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. На рис.3 представлена принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения на полупроводниковых элементах. Последовательно с нагрузкой R_H включен регулирующий элемент – биполярный транзистор VT1, управляемый сигналом, пропорциональным отклонению части выходного напряжения aU_ВЫХ (a < 1) от опорного напряжения U_ОП, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD.

Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом. Допустим, что под воздействием дестабилизирующих факторов напряжение U_ВЫХ уменьшилось. Тогда уменьшится также напряжение

U_OC = aU_ВЫХ, где a = R₂ / (R₁ + R₂). Поскольку U_ЭБ = U_OC – U_ОП, это приведёт к уменьшению напряжения между эмиттером и базой транзистора VT2 и тока базы I_Б2, что вызовет уменьшение тока коллектора I_K, проходящего через резистор R_K. Следовательно, возрастёт напряжение U_Б1 на базе транзистора VT1, так как U_Б1 = U_ВХ – I_KR_K. Транзистор VT1 перейдёт в более открытое состояние, что приведёт к увеличению напряжения U_ВЫХ на нагрузке, т.е. его первоначальное уменьшение почти скомпенсируется.

Компенсационный стабилизатор допускает возможность плавного регулирования выходного напряжения путём изменения коэффициента a.

Коэффициент стабилизации К_СТ компенсационного стабилизатора значительно выше, чем параметрического стабилизатора. Он зависит от коэффициента усиления усилительного каскада на транзисторе VT2 и может достигать нескольких тысяч.

Выходное сопротивление R_ВЫХ компенсационного стабилизатора значительно выше, чем параметрического стабилизатора. Он зависит от коэффициента усиления усилительного каскада на транзисторе VT2 и может достигать нескольких тысяч.

Выходное сопротивление R_ВЫХ компенсационного стабилизатора составляет величину порядка 0,001-0,01 Ом.

Важными графическими характеристиками, отражающими работу стабилизаторов напряжения являются:

1) зависимость выходного напряжения от входного U_ВЫХ = f (U_ВХ);

2) внешняя характеристика U_ВЫХ = f (I_H) при U_ВХ = const.

Зависимость U_ВЫХ = f (U_ВХ) имеет вид, представленный на рис.4. Для обеспечения требуемого значения напряжения U_ВЫХ на нагрузке, подключённой к выходу стабилизатора, необходимо, чтобы входное напряжение было не менее некоторого минимального значения U_ВХmin, которое в свою очередь должно превышать U_ВЫХ. При условии, что U_ВХ > U_ВХmin, изменение входного напряжения DU_ВХ приведёт к весьма незначительному изменению выходного напряжения DU_ВЫХ. Наклон данной характеристики на рабочем участке определяется величиной коэффициента стабилизации К_СТ.

Внешняя характеристика стабилизатора U_ВЫХ = f (I_H) при U_ВХ = const (рис.5) показывает, что при увеличении тока нагрузки I_H происходит некоторое снижение напряжения U_ВЫХ. Это обусловлено отличием от нуля выходного сопротивления стабилизатора. Чем больше выходное сопротивление стабилизатора R_ВЫХ, тем более крутым будет наклон внешней характеристики.

Снижение напряжения на выходе при росте тока нагрузки I_H в компенсационных стабилизаторах значительно менее выражено, чем в параметрических, что достигается наличием отрицательной обратной связи.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются параметрический и компенсационный стабилизаторы напряжения, собранные на плате № 3 (рис. 6). Параметрический стабилизатор включает в себя стабилитрон D ₆ и балластный резистор R _н1. Компенсационный стабилизатор содержит в качестве регулирующего элемента транзистор VT1, усилитель VA1, делитель напряжения R ₂ -R ₃. Нагрузкой служит переменный резистор R _н1.

Для измерения тока и напряжений используются многопредельный стрелочный амперметр и электронный вольтметр.

Рис. 6 Монтажная плата № 3 учебного стенда

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Исследование параметрического стабилизатора напряжения (прил.Г, рис. Г1).

1.1 Снять зависимость U_ВЫХ = f (U_ВХ) на холостом ходу, т.е. при I_H = 0. для чего на монтажной плате № 3:

- соединить перемычкой гнёзда 8–9;

- включить вольтметр и установить режим измерения постоянного напряжения;

- на центральной панели включить тумблеры «В1 ≈36В»;

- на плате № 3 включить тумблер В3-1, тумблер В3-2 перевести в положение II;

- вращая ручку «Рег. U_ВХ» от левого крайнего положения до правого, измерить напряжение U_ВХ, подключив вольтметр к гнёздам 15 и 10, и соответствующее ему U_ВЫХ, подключив вольтметр к гнёздам 15 и 14.

- результаты измерений записывать в табл.1 протокола испытаний;

- по окончании опыта отключить питание тумблером В1.

1.2 Снять внешнюю характеристику U_ВЫХ = f (I_H) при U_ВХ = U_ВХmax. Для этого на монтажной плате № 3:

- соединить перемычкой гнёзда 8–9;

- подключить нагрузку R_H1, соединив гнёзда 14 и 6 через мА (14–mA, mA–6);

- повернуть ручку «Рег. U_ВХ» по часовой стрелке до упора;

- после проверки преподавателем включить питание стенда тумблером В1;

- подсоединить вольтметр к нагрузке R_H1 (клеммы 16 и 5). Изменяя сопротивление R_H1 вращением ручки Рег. U_вых от максимума до минимума, записывать в табл.2 показания амперметра I_H и вольтметра U_ВЫХ.

- после завершения опыта питание стенда выключить тумблером В1.

2. Исследование компенсационного стабилизатора напряжения.

2.1 Снять зависимость U_ВЫХ = f (U_ВХ) на холостом ходу, т.е. при I_H = 0. Опыт производится аналогично опыту 1.1, но напряжение U_ВЫХ измеряется на клеммах 15 и 11. Результаты записать в табл.3 протокола испытаний. По окончании опыта отключить питание стенда.

2.2 Снять внешнюю характеристику U_ВЫХ = f (I_H) при U_ВХ = U_ВЫХmax. Для это на монтажной плате № 3:

- соединить перемычкой гнёзда 8–9;

- подключить нагрузку R_H1, соединив гнёзда 11 и 6 через мА (11–mA, mA–6);

- повернуть ручку «Рег. U_ВХ» по часовой стрелке до упора;

- после проверки преподавателем включить питание стенда тумблером В1;

- подсоединить вольтметр к нагрузке R_H1 (клеммы 16 и 5). Изменяя сопротивление R_H1 вращением ручки Рег. U_вых от максимума до минимума, записывать в табл.4 показания амперметра I_H и вольтметра U_ВЫХ.

- после завершения опыта питание стенда выключить тумблером В1.

3. Выключить тумблеры В3-1 и В1, согласовать результаты с преподавателем, отключить приборы и разобрать электрическую цепь.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. По данным табл.1 и табл.3 на рис.8 построить графики зависимостей U_ВЫХ = f (U_ВХ) при I_H = 0 для параметрического и компенсационного стабилизаторов.

2. По данным табл.2 и табл.4 на рис.9 построить внешние характеристики U_ВЫХ = f (I_H) для параметрического и компенсационного стабилизаторов.

3. По графикам U_ВЫХ = f (U_ВХ) вычислить по формуле (1) значения коэффициентов стабилизации К_СТ для параметрического и компенсационного стабилизаторов, используя участки с наиболее стабильным выходным напряжением (см рис. 4). Результаты вычислений записать в табл.5.

4. По графикам U_ВЫХ = f (I_H) вычислить по формуле (2) значения выходных сопротивлений R_ВЫХ для параметрического и компенсационного стабилизаторов используя участки с наиболее стабильным выходным напряжением (см. рис.6). Результаты вычислений записать в табл.5.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Поясните назначение стабилизаторов постоянного напряжения.

2. Какими параметрами характеризуют качество работы стабилизаторов постоянного напряжения?

3. Как классифицируются стабилизаторы напряжения?

4. Укажите особенности ВАХ полупроводникового стабилитрона.

5. Опишите принцип действия параметрического стабилизатора.

6. Опишите принцип действия компенсационного стабилизатора.

7. Поясните характер зависимостей U_ВЫХ = f (U_ВХ) при I_H = 0 для параметрического и компенсационного стабилизаторов.

8. Поясните вид внешней характеристики U_ВЫХ = f (I_H) для параметрического и компенсационного стабилизаторов.

9. Дайте сравнительный анализ параметрического и компенсационного стабилизаторов постоянного напряжения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1986. – с. 243-250

2. Лабораторные работы по основам промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1977. – С. 87-89.