Общие сведения. Стабилизатором называют устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью напряжение или ток в нагрузке при изменении питающего напряжения или

Стабилизатором называют устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью напряжение или ток в нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки в обусловленных пределах.

Основным параметром стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации напряжения, а стабилизатора тока - коэффициент стабилизации тока

K _{ст U}= ; K _{ст I}= при R _н= const,

где U _вх, U _вых, I _вых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора и номинальный ток нагрузки;

DU_вх, DU_вых, D I_вых - изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора и изменение тока нагрузки.

Влияние нагрузки R _н оценивается по внешним характеристикам U _вых(I _вых) и I _вых(R _н) или выходным (внутренним) сопротивлением стабилизатора

R _вых= при U _вх= const.

Для стабилизатора напряжения R _вых << R _н, а для стабилизатора тока - R _вых>> R _н.

Применяют два типа стабилизаторов: параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), обеспечивающие постоянство напряжения при значительных изменениях тока для стабилизаторов напряжения и постоянство тока при изменении напряжения в стабилизаторах тока. Такими элементами могут быть стабилитроны, бареттеры или транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы напряжения имеют большие коэффициенты стабилизации и меньшее R _вых при более высоком КПД. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис.6.1. Стабилизатор состоит из источника эталонного напряжения (1), измерительного элемента (2) и регулирующего элемента (3).

На входы измерительного элемента подаются эталонное напряжение U ₀ и U _вых. Если U _вых не равно U ₀ появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулирующего элемента. Под действием этого сигнала падение напряжения на регулирующем элементе меняется таким образом, чтобы U _вых оставалось постоянным

U _вых= U _вх -DU=const.

В качестве источника эталонного напряжения чаще всего используется стабилитрон, а роль регулирующего элемента выполняет транзистор или составной транзистор. В большинстве современных стабилизаторов измерительный элемент выполняется на операционном усилителе.

В работе предлагается исследовать компенсационный стабилизатор на транзисторе, схема которого показана на рис.6.2. Источник эталонного напряжения выполнен на стабилитроне VD, режим которого задается резистором R₂. Транзистор VT2 выполняет роль измерительного элемента. Изменение U _вых приводит к изменению I _б2 и соответственно к изменению I _к2. Изменение I _к2 вызывает противоположное изменение I _б1, так что U _вых= U _вх- U _кэ1 остается практически неизменным.

K _{cm U}= h ₂₁/(h ₁₁+ R ₁); R _вых= .

В настоящее время широко применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Например, микросхема К142ЕН1 представляет собой регулируемый стабилизатор с выходным напряжением 3-12 В на ток до 150 мА. В схеме предусмотрена защита от перегрузки и коротких замыканий на выходе.

Схема исследуемого стабилизатора тока показана на рис.6.3. На базе транзистора VT поддерживается постоянный потенциал, задаваемый параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD. Нагрузка R _н включена в коллекторную цепь транзистора VT, который работает по схеме ОБ, где I _к= aI _э.

Ток эмиттера I _э определяется напряжением U _эб= U ₀- R ₂ I _э

Благодаря этому устанавливается режим работы

I _э=(U ₀- U _эб)/ R ₂= const

У современных транзисторов a ®1, таким образом, получается устройство, выходной ток которого I _вых= I _к» I _э, не зависит от R _н, а определяется только U ₀ и R ₂. Режим стабилизации поддерживается до тех пор, пока транзистор VT работает в активном режиме, т.е. U _вх> DU + I _вых R _н, где DU - напряжение насыщения транзистора.

Отсюда максимальное значение сопротивления нагрузки, при котором сохраняется рабочий режим стабилизатора

R _{н max}= .

Коэффициент стабилизации тока

K _ст= I _вых/(U _вх h ₂₂).

Выходное сопротивление стабилизатора

R _вых= .

Предварительное задание к эксперименту

Для компенсационного стабилизатора напряжения (рис.6.2) рассчитать K _ст и R _вых, если R 1=6,8 кОм; R 3=1,2 кОм; R 4=6,8 кОм; для транзистора VT2: h ₁₁=1,2 кОм; h ₂₁=180. Входное и выходное напряжения принять U _вх=22 В; U _вых=12 В.

Используя метод эквивалентного генератора при U _вых холостого хода 12 В и рассчитанном в п.1 значение R _вых, определить изменение выходного напряжения DU и выходное напряжение стабилизатора при заданном в табл.6.1 токе нагрузки I _н.

Рассчитать R _вых стабилизатора тока (рис.6.3), если R 2=180 Ом, дифференциальное сопротивление стабилитрона r _д=35 Ом. Транзистор VT имеет следующие параметры: h ₁₁=50 Ом; h ₂₂=1 мСм; h ₂₁=30.

Определить для стабилизатора тока максимально допустимое сопротивление нагрузки R _{н max} при U _вх и I _вых, заданных в табл.6.1. Принять DU =1 В. Используя результаты расчетов по п.3 и п.4, определить относительное изменение выходного тока DI _вых/ I _{вых к} при изменении сопротивления нагрузки от 0 до R _{н max} (I _вых.к - ток при R _н=0).

Таблица 6.1

Варианты
I н, мА
U вх, В
I вых, мА

Порядок выполнения эксперимента

Входное напряжение U _вх на стабилизаторы подается от выпрямителя, который исследовался в лабораторной работе 4. U _вх измеряется вольтметром V1.

Подготовить схему однофазного мостового выпрямителя с П -образным фильтром, поставив в нужное положение выключатели В1-В4.

Подключить нагрузку R _н к выходным клеммам стабилизатора напряжения и дополнительные цифровые приборы для измерения тока нагрузки I _н и выходного напряжения U _вых.

Включить выключатель стабилизатора напряжения и выключатель выпрямителя (выключатель стабилизатора тока должен быть выключен). При минимальном токе нагрузки снять зависимость U _вых (U _вх), изменяя U _вх от 0 до максимального значения с помощью регулятора напряжения U ₁. Построить график зависимости и определить по ней K _cm. Сравнить с расчетным по п.1 предварительного задания К _ст.

Установить максимальное входное напряжение U _вх. Изменяя сопротивление нагрузки во всем диапазоне, снять зависимость U _вых(I _н). Построить выходную характеристику стабилизатора и определить по ней R _вых. Сравнить с результатами расчетов по п.2 предварительного задания.

Отключить выключатели выпрямителя и стабилизатора напряжения. Подключить нагрузку к выходу стабилизатора тока.

Включить выключатель стабилизатора тока и выключатель выпрямителя. Установить с помощью регулятора U ₁ максимальное входное напряжение. Изменяя R _н во всем диапазоне, снять зависимость I _вых(U _вых). По полученным результатам рассчитать для каждого измерения R _н и построить I _вых(R _н). Определить R _{н max} и R _вых стабилизатора. Сравнить с результатами расчетов предварительного задания.

Установить минимальное сопротивление нагрузки R _н (минимальное U _вых). Изменяя U _вх от 0 до максимального значения, снять зависимость I _вых(U _вх). Построить график I _вых(U _вх) и определить K _cm. Сравнить с результатами расчетов предварительного задания.

Содержание отчета

Цель работы; полные схемы компенсационного стабилизатора напряжения и стабилизатора тока с обозначением всех элементов, указанием токов, напряжений; результаты расчета предварительного задания; результаты эксперимента в виде таблиц и графиков; результаты расчетов K _cm, R _вых по графикам; сравнительный анализ результатов.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение электронных стабилизаторов? 2. Как устроен и как работает параметрический стабилизатор напряжения и тока? 3. Поясните назначение элементов схемы компенсационного стабилизатора напряжения? 4. От каких элементов зависит коэффициент стабилизации? 5. Как можно осуществить регулирование U _вых стабилизатора напряжения? 6. Поясните принцип действия стабилизатора тока. 7. Как можно изменить выходной ток стабилизатора? 8. Почему стабилизатор тока может работать только на нагрузку с R меньше R _нmax? 9. Почему стабилизатор тока и стабилизатор напряжения имеют разные выходные сопротивления?

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ НА ПЭВМ КАСКАДА УСИЛЕНИЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ ОЭ

Цель работы: изучить принцип работы усилительного каскада с ОЭ и исследовать влияние элементов схемы на параметры и характеристики усилителя.

Общие сведения

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n (рис.7.1). Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R _к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U _{m вых} и R _н, и напряжению источника питания E _к.

Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

I _кп³ I _mн= U _{m вых}/ R _н

Напряжение покоя обычно выбирается U _кэп= E _к/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I _к=

Линию нагрузки можно построить в координатах I _к, U _кэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять I _к=0, то U _кэ= E _к. Построение статической линии нагрузки показано на рис.7.2 (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины R _к и R_Б:

R _к= ;

R_Б = ; I_{Б п}= I _Кп/ h ₂₁

При работе каскада в режиме холостого хода и i _вх= I _mвх sinwt рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше E _к/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно R _к включается R _н. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - Di _кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением Di _к и подсчитав изменение напряжения DU_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рис.7.2 (c-d). Очевидно, что угол между осью U _кэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R _н (при R _н=0 он составит 90°). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U _{вых пр} с уменьшением R _н становится меньше E _к/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U _{m вых}, больше, чем U _{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I _кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

к_и = ;

;

к_р=к_ик_i.

Предварительное задание к эксперименту

Транзистор каскада имеет следующие параметры:

h ₁₁=0,5 кОм; h ₂₁=25; h ₂₂=0,3 мкСм; h ₁₂=0.

Напряжение база-эмиттер U _бэ принять равным во всех режимах 0,6 В. Напряжением U _кэ в режиме насыщения пренебречь. Напряжение источника питания E_к =12 В.

1. Рассчитать величину R _к, которая обеспечит на холостом ходу заданный в таб.7.1. коэффициент усиления. Начертить в координатах I _к, U _кэ линию нагрузки. Рассчитать сопротивление R _Б, которое позволит получить максимальную амплитуду выходного напряжения U _{m вых}, без искажений. Показать положение точки покоя на линии нагрузки и определить предельную величину U _{вых пр}.

2. Определить амплитуду входного напряжения U _{m вх}, соответствующего определенному в п.1 значению U _{вых пр}.

3. Рассчитать при заданном в табл. 7.1 сопротивлении нагрузки R _н значения коэффициентов усиления к_и,, к_р, к_i. Построить динамическую линию нагрузки и определить предельную величину U _{m вых}, сравнить с предыдущими результатами.

4. Рассчитать амплитуду входного напряжения U _{m вх}, позволяющего получить максимальное выходное напряжение без искажений.

5. Определить R _н, при котором к_р достигает максимального значения. Рассчитать это значение к_р.

Таблица 7.1

Вариант
к u
R н, кОм	0,5	1,0	1,5	2,02	2,5	3,0	3,5	4,0

Порядок выполнения эксперимента

Математическая модель каскада усиления реализована в программе LAB7.EXE. При запуске она иллюстрирует работу каскада при выбранных в качестве примера значениях R _к, R_Б, R _н и U _{m вх}, которые высвечиваются на экране монитора. На экран выводятся линии нагрузки с указанием положения точки покоя, осциллограммы входного и выходного напряжений, значения коэффициентов усиления и параметры точки покоя. После нажатия клавиши “Ввод” изображается амплитудная характеристика каскада, и программа переходит в диалоговый режим.

Ввод новых значений R _к, R _Б, R _н и U _{m вх} производится в рамку, которая высвечивается у соответствующей величины. Перемещение рамки с помощью клавиш “Вверх”,“Вниз”. После ввода данных нажать клавишу “Ввод”.

1. Ввести рассчитанные значения R _к , R _Б и R _н=1000 кОм для режима холостого хода. Записать значение к _u, параметры режима покоя и начертить с экрана в масштабе амплитудную характеристику каскада. По характеристике определить U _{вых пр} и сравнить с результатом расчета предварительного задания.

2. Увеличить в 2 раза R _к. Записать значение к _u и нанести на предыдущий график амплитудную характеристику каскада в этом режиме. Объяснить изменения к _u.

3. Ввести рассчитанные значения R _к , R _н. Записать значения к _u, к_i, к _р и сравнить с расчетными. На предыдущем графике нанести амплитудную характеристику. Определить U _{вых пр}. Сравнить с расчетным.

4. Ввести рассчитанную в п.4 предварительного задания величину U _{m вх} и проверить отсутствие искажений. Перечертить с экрана осциллограммы входного и выходного напряжений.

5. Увеличить U _{m вх} в два раза, обратить внимание на появление нелинейных искажений. Перечертить осциллограммы входного и выходного напряжений.

6. Изучить влияние R _Б на форму U _вых, для чего ввести при первоначальном значении U _{m вх} значения R _Б, равные 0,6 и 2,0 от расчетного. Перечертить осциллограммы входного и выходного напряжений. Объяснить причины появления нелинейных искажений.

Содержание отчета

Цель работы: схема исследуемого каскада; расчет предварительного задания; значения коэффициентов усиления, амплитудные характеристики и осциллограммы по каждому пункту выполненного эксперимента; краткие выводы.

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип работ каскада усиления, назначение основных элементов схемы. 2. Какими параметрами характеризуется усилитель? 3. Какое влияние на параметры каскада оказывает R_к? 4. Что такое нелинейные искажения и причина их появления? 5. Можно ли получить неискаженный выходной сигнал, если заданное U _{вых m}> E _к/2? 6. Какое влияние оказывает R _Б на положение точки покоя? 7. Всегда ли нужно выбирать U _кэп» E _к/2?

Лабораторная работа №8

Дата добавления: 2015-05-06