Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения

Цель работы:

Изучение принципов работы, методов расчета и особенностей настройки стабилизаторов напряжения, приобретение навыков их реализации на дискретных элементах и интегральных схемах.

3.1. Теоретические сведения.

3.1.1. Компенсационные стабилизаторы напряжения на дискретных элементах.

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) представляет собой управляемый делитель напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки Н и регулирующего элемента РЭ, работающего в линейном режиме. Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным (опорным) и возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем У и воздействует на РЭ стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного. В качестве источника опорного напряжения ИОН обычно используется параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки.

Основными параметрами КСН являются:

· коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделенной в нагрузке Рвых, к входной мощности Рвх, т.е.

n = Pвых/Pвх = Uвых*Iвых/Uвх*Iвх;

· коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора Uвx/Uвx к относительному приращению напряжения на выходе Uвых/Uвых при постоянной нагрузке

Кст = Рвых/Рвх = Uвых*Iвых/Uвх*Iвх: при Rн = const

· выходное сопротивление, равное отношению приращения напряжения на выходе стабилизатора Uвых к приращению тока нагрузки Iн

Rвых = - DUвых/DIн, при Uвх = const.

Наибольшее распространение находят КСН последовательного типа, в которых РЭ включен последовательно с нагрузкой (рис.3.1.).

Блок-схема КСН

Рис. 3.1.

При положительном сигнале рассогласования (Uвых – Uоп > 0) внутреннее сопротивление РЭ возрастает, падение напряжения на нем увеличивается и соответственно уменьшается выходное напряжение.

При отрицательном сигнале рассогласования (Uвых – Uоп < 0), наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшается, что приводит к возрастанию выходного напряжения Uвых.

Принципиальная схема простейшего КСН, выполненная на дискретных элементах, представлена на рис. 3.2.

Транзистор V1 является регулирующим элементом, схема сравнения выполнена на эмиттер ном переходе транзистора V2, источником опорного напряжения является стабилитрон V3, функцию усилителя

сигналов выполняет транзистор V2.

При увеличении напряжения на входе схемы напряжение на выходе также стремиться увеличится. При этом увеличивается напряжение на нижнем плече делителя R3, R4, R5. Напряжение эмиттера транзистора V2 застабилизировано с помощью стабилитрона V3. Таким образом, напряжение база-эмиттер транзистора V2 при увеличении входного напряжения становится более отрицательным. В результате коллекторный ток транзистора V2 возрастает. Протекая через R1, этот ток вызывает увеличение на нем падение напряжения. Потенциал базы V1 становится более положительным, транзистор подзапирается и напряжение на нем увеличивается. В результате выходное напряжение поддерживается практически неизменным.

В этой схеме усилитель постоянного тока на транзисторе V2

питается от нестабилизированного источника входного напряжения.

Поэтому при его изменении будет изменяться и выходное напряжение усилителя, что приводит к уменьшению коэффициента стабилизации схемы. Для ослабления влияния изменений входного напряжения на точность работы схемы вводят отрицательную обратную связь по входному напряжению с помощью резистора R*. Сопротивление этого резистора подбирается, как правило, экспериментально.

Принципиальная схема КСН

Рис. 3.2.

Другим способом улучшения коэффициента стабилизации схемы является замена резистора R1 стабилизатором тока на транзисторе, что эквивалентно применению резистора с большим динамическим сопротивлением и резкому повышению коэффициента стабилизации схемы.

КСН с регулирующим элементом, работающим в линейном режиме, имеют относительно низкий к.п.д. n = Uвых/Uвх, который составляет 40-60%. КСН одновременно является фильтром переменной составляющей входного напряжения, коэффициент сглаживания которого

Ксгл. = Кст.,

где Ксгл.- отношение пульсаций напряжения на входе стабилизатора к коэффициенту пульсаций выходного напряжения.

Плавная регулировка выходного напряжения в схеме рис. 3.2.

производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5.

Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе

транзистора V2, то для выходного напряжения можно записать:

Uвых = Uоп(Iб₂ + Uоп/(R5 + R4``))*(R3 + R4`).

Ток через делитель Iдел выбирают обычно на порядок выше, чем ток базы V2, что позволяет определить Uвых из выражения:

Uвых = Uоп(1+(R3 + R4`)/(R5 + R4``)).

Если базу транзистора V2 подключить непосредственно к нагрузке, то Uоп = Uвых. При этом коэффициент стабилизации и выходное сопротивление равны:

Кст = Uвых/Uвх)*(Rк1/(Rv3 + Rвхб2)),

Rвых = ((Rэ2 + Rv1)*(1+в2) + Rб2)/(1 + в1*в2) =

= 1/в1*(Rвхб2 + Rv3);

где Rк1, Rэ2, Rб2 - сопротивления коллектора, эмиттера и базы транзисторов VI и V2 соответственно, Rv3 - динамическое сопротивление стабилитрона, Rвхб2 - входное сопротивление транзистора V2. Для стабилизатора с делителем на выходе можно записать, что

Rвых дел. = Квых*1/Кдел.,

где Кдел.= (R5+R"4)/(R3+R4+R5) = Uon/Uвыx - множитель, обусловленный влиянием делителя на коэффициент стабилизации Кcт, определенный при Uon = Uвыx. Таким образом, делитель напряжения в схеме стабилизатора уменьшает Кст и повышает Rвых. Для получения большого коэффициента стабилизации в качестве усилителей постоянного тока можно использовать операционные усилители. Пример схемы такого стабилизатора приведен на рис. 3.3.

Принципиальная схема КСН с ОУ

Рис. 3.3.

Для стабилизатора, приведенного на рис. 3.3. Коэффициент стабилизации

Кст min = Uвых min/Uвх мax*Rк1/Rэ1*Коу/(1+в1)*Кдел.

3.1.2. Схемы защиты стабилизаторов от перегрузок.

Перегрузки стабилизаторов имеют место при переходных процессах и в аварийных режимах и могут привести к выходу из строя транзисторов, в первую очередь регулирующих. Наиболее распространенным видом перегрузок являются токовые перегрузки, возникающие при коротких замыканиях в цепи нагрузки. При этом через транзистор РЭ протекает большой ток, что приводит к перегреву транзистора. Для ограничения максимального тока через транзистор РЭ в стабилизаторах напряжения используют различные схемы защиты, принцип действия которых основан на шунтировании управляющего перехода транзистора РЭ другим транзистором при превышении тока нагрузки заданного значения.

Фрагмент схемы стабилизатора с защитой от токов к.з. приведен на рис. 3.4.

Рис. 3.4.

В нормальном режиме в этой схеме транзистор V2 заперт, так как падение напряжения на резисторе R2 не достаточно для его отпирания и не влияет на работу VI. В режиме перегрузки UR2 увеличивается, транзистор V2 открывается и шунтирует базовую цепь V1 уменьшая тем самым базовый ток этого транзистора. Транзистор V1 запирается и уменьшает ток через нагрузку.

3.1.3. Интегральные компенсационные стабилизаторы (ИКС).

ИКС выпускаются в виде отдельных микросхем серии К142ЕН с выходным регулированием напряжения от 3 до 30 вольт, с фиксированным напряжением 5, 6, 12 В и с двухполярным входным и выходным напряжениями и серии 275ЕН. Структура ИКС в целом соответствует структуре рассмотренных выше стабилизаторов на дискретных элементах, однако они могут дополнительно содержать цепи защиты и другие элементы.

Основная схема включения ИКС К142ЕН1Б приведена на рис. 3.5. Внешний резистор R1 включен в цепь защиты схемы от короткого замыкания нагрузки. Конденсатор С1 определяет время восстановления номинального режима при импульсном изменении нагрузки и входного напряжения. Его емкость составляет в реальных схемах примерно 10пФ. Конденсатор С2 позволяет уменьшить выброс выходного напряжения при импульсном изменении нагрузки и входного напряжения и подбирается экспериментально.

Схема включения стабилизатора К142ЕН1Б

Рис. 3.5.

3.2. Подготовка к работе.

3.2.1. Изучить принцип работы схем компенсационных стабилизаторов напряжения.

3.2.2. Изучить порядок расчета схем компенсационных стабилизаторов напряжения и их качественных характеристик.

3.2.3. Для заданного преподавателем выходного напряжения и

номинального тока нагрузки по известным элементам схемы стабилизатора рассчитать величины сопротивлений R10 и R7, а также Кст и Rвых.

3.2.4. Нарисовать схемы исследуемых стабилизаторов.

3.2.5. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

3.3. План работы.

3.3.1. Собрать схему стабилизатора напряжения без блока защиты на основе схемы, представленной на рис. 3.6. Приложение 1.

3.3.2. Установить на стенде рассчитанные ранее значения R10, R7 и R11. Включить стенд и замерить с помощью цифрового вольтметра выходное напряжение и сравнить с расчетным значением.

3.3.3. Установить заданные значения Uвых и Iном и изменяя

входное напряжение (включая или отключая резистор R4) замерить входные и выходные напряжения. Определить реальный коэффициент стабилизации стабилизатора по формуле:

Кст = (DUвх/Uвх)/(DUвых/Uвых)

и сравнить с расчетным.

3.3.4. Изменяя сопротивление нагрузки R11 снять выходную характеристику стабилизатора

Uвых = f(Iн).

Ток изменяют от 0 до Iнmax. Рассчитать реальное выходное сопротивление Rвых стабилизатора и сравнить с расчетным.

3.3.5. Рассчитать к.п.д. стабилизатора, приняв токи на входе и выходе стабилизатора равными.

3.3.6. Собрать схему стабилизатора с защитой от токов к.з.

Изменяя величину нагрузки резистором R11 определить Iнmax, при котором срабатывает схема защиты. Определить ток нагрузки, который протекает через транзистор V8 после срабатывания защиты. Рассчитать мощность, которая рассеивается на этом транзисторе.

3.3.7. Сравнить все полученные экспериментальные данные с

расчетными и объяснить возможные расхождения.

3.4. Контрольные вопросы.

3.4.1. Объяснить принцип работы КСН, назначение и взаимодействие его основных узлов.

3.4.2. Что такое коэффициент стабилизации и как его определить теоретически и практически.

3.4.3. Перечислите возможные способы увеличения коэффициента стабилизации.

3.4.4. Что такое внутреннее сопротивление стабилизатора, от

чего оно зависит и как его определить.

3.4.5. Почему зависят выходное сопротивление и коэффициент

стабилизации от коэффициента деления делителя.

3.4.6. С какой целью включается резистор R* в схеме стабилизатора.

3.4.7. В чем преимущество стабилизаторов напряжения в интегральном исполнении по сравнению со стабилизаторами на дискретных элементах.

3.4.8. Объясните, каким образом можно увеличить нагрузочную

способность интегрального стабилизатора.

3.4.9. Для чего в стабилизаторах используются составные транзисторы?

3.4.10. Поясните принципы построения схем защиты стабилизаторов.

4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 4

Дата добавления: 2015-03-29