12819

Исследование полупроводникового стабилизатора напряжения непрерывного действия

Лабораторная работа

Энергетика

Лабораторная работа №11 Исследование полупроводникового стабилизатора напряжения непрерывного действия 1. Цель работы Изучение принципа действия полупроводникового компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного действия экспериментальное исс

Русский

2013-05-03

751 KB

24 чел.

Лабораторная работа №11

«Исследование полупроводникового стабилизатора

напряжения непрерывного действия»

1.  Цель  работы

Изучение принципа действия полупроводникового компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного действия, экспериментальное исследование его параметров и характеристик.

2. Подготовка к работе

2.1. С помощью рекомендуемой литературы [1-3] и приложения (см. п. 8) к лабораторной работе  подготовьте теоретический материал по следующим вопросам:

  •  структурная и принципиальная схемы стабилизатора (см. рисунки 11.5 и 11.4),
  •  процессы функционирования стабилизатора (см. п. 8),
  •  особенности лабораторной установки  (см. п. 7).  
    1.  Ознакомиться с методическими указаниями к данной лабораторной работе.  Подготовить бланк отчета по работе, где указать: название лабораторной работы, Ф.И.О. исполнителя и группу, название опытов и таблицы для экспериментальных данных.
    2.  Ответить на контрольные вопросы. Получите у преподавателя допуск к выполнению лабораторной работы.

3. Контрольные вопросы.

3.1 Изобразите структурную схему стабилизатора напряжения рассматриваемого типа. В чем суть компенсационного метода стабилизации (по структурной схеме)?

  1.  Изобразите принципиальную схему исследуемого стабилизатора. Опишите процессы стабилизации при изменении напряжения питания.
    1.  Поясните, как взаимодействуют элементы стабилизатора (по принципиальной схеме) при увеличение сопротивлении нагрузки, уменьшении величины опорного напряжения.
    2.  Каков принцип получения эталонного (опорного) напряжения в схеме исследуемого стабилизатора?
    3.  От чего зависит величина номинального значения выходного напряжения стабилизатора. Каковы способы его регулировки?
    4.  Каковы достоинства и недостатки транзисторных компенсационных стабилизаторов непрерывного действия и какова их природа?
    5.   Укажите преимущества и недостатки исследуемого стабилизатора перед стабилизатором импульсного действия.

3.8  Какова роль усилителя постоянного тока (УПТ) в составе стабилизатора непрерывного действия и каким образом влияет величина коэффициента усиления УПТ в цепи обратной связи на характеристики стабилизатора?

3.9. С какой целью в стабилизаторе используется составной регулирующий транзистор?

3.10.От каких причин зависит коэффициент полезного действия исследуемого стабилизатора? Каковы пути его повышения?

4. Содержание работы

  1.  Изучить по рекомендованной литературе теоретический материал об особенностях реализации полупроводникового стабилизатора непрерывного действия компенсационного типа, процессов его функционирования и области применения. Ознакомиться с принципиальной схемой макета и его конструктивным исполнением.

4.2. Произвести исследование электрических параметров и характеристик стабилизатора:   

4.2.1.Характеристика стабилизации стабилизатора:

  •  U2=f(U1) при Rн=соnst, то есть зависимость выходного напряжения от изменения входного напряжения при постоянном сопротивлении нагрузки;
  •  N 2= f(N 1), то есть зависимость нестабильности выходного напряжения от нестабильности входного напряжения;
  •  η=f(U1), то есть зависимость коэффициента полезного действия от изменения входного напряжения;
  •  определение коэффициента стабилизации Kст;

4.2.2.Внешняя (нагрузочная) характеристика стабилизатора:

  •  U2=f(I2)  при U1 = U1ном= соnst, то есть зависимость выходного напряжения от величины тока нагрузки;
  •  N2i= f(I2), то есть зависимость нестабильности выходного напряжения от величины тока нагрузки;
  •  η=f(I2), то есть зависимость коэффициента полезного действия от величины тока нагрузки.

4.2.3 Выходное сопротивление стабилизатора: r2=rвых.

  Входная характеристика стабилизатора: I1=f(U1) при Rн=соnst.

4.2.4 Входное сопротивление стабилизатора ri=rвх. в диапазоне стабилизации и на участке, где стабилизация еще не наступила.

4.3 Исследование особенностей функционирования стабилизатора.

4.3.1.Определить с помощью осциллографа амплитуду пульсаций напряжения на входе и на выходе стабилизатора.

4.3.2 Рассчитать коэффициент сглаживания (подавление переменной составляющей), которым обладает стабилизатор -  qсгл.

4.3.Сделать выводы и заключения по результатам работы.

5. Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

  1.   Структурную и принципиальную схемы исследуемого стабилизатора.
    1.  Таблицы с результатами измерений и расчетов для построения необходимых характеристик.
    2.  Графики характеристик стабилизации стабилизатора.

       - U2=f(U1) при Rн=соnst, N 2= f(N 1), η=f(U1) и значение коэффициента стабилизации Kст.

5.4. Графики внешних (нагрузочных) характеристик стабилизатора:

- U2=f(I2)  при = U1 = U1ном= соnst,

- N 2i= f(I2),

- η=f(I2) и значениt выходного сопротивления r2= rвых

  1.  График входной характеристики стабилизатора I1=f(U1) при Rн=соnst и значения входного сопротивления стабилизатора r1= rвх.
    1.  Значение коэффициента сглаживания стабилизатора -  qсгл.
    2.  Выводы по результатам исследований стабилизатора.

6. Методические указания по выполнению

лабораторной работы 

6.1. Порядок изучения теоретических вопросов (указания к пункту 4.1).             

Изучить особенности структурного и схемотехнического построения компенсационного полупроводникового стабилизатора непрерывного действия и его функционирования по рекомендуемой литературе 1…3 и материалам  приложения (см. п. 8).

С использованием п.7 методических указаний изучить особенности схемотехнического исполнения лабораторного макета. Получить у преподавателя контрольные вопросы по изучаемому материалу и подготовить ответы на них. Уточнить у преподавателя форму и объем их предоставления в отчете.

6.2. Измерение электрических параметров и характеристик исследуемого стабилизатора.

6.2.1. Указания к пункту 4.2.1

Экспериментальное определение  характеристики стабилизации при изменении напряжения источника первичного электропитания U2=f(U1) при Rн=соnst.

Исходное состояние лабораторного макета. Включение макета под напряжение производится переключателем SQ1 (в положение «1»  то есть «Сеть») – рисунок 11.1, 11.4.

Переключателем SQ3 «Варианты работы» устанавливается заданный преподавателем вариант. При заданном положении переключателя SQ3 диапазон изменения входного напряжения U1max … U1min, а также величины U1ном и U2ном приведены в таблице 11.1. Например, при включении SQ3 в положение «2» номинальное значение входного напряжения составляет U1ном =20В, которому соответствует U2ном=11,5 В. Входное напряжение устанавливается с помощью регулятора напряжения (автотрансформатора ATV), расположенного в левой торцевой стенке макета и меняется ступенями через 1-2 В сначала в сторону увеличения (до значения U1max=30В), а затем в сторону уменьшения (U1min=12В).

Величина входного напряжения контролируется  вольтметром РU1, ток, потребляемый стабилизатором, контролируется амперметром РА1, а ток отдаваемый  в нагрузку – РА2.

Таблица 11.1

Положение

переключателя диапазонов SQ3

U1ном

В

U1max

В

U1min

В

U2ном
В

I2ном

А

1

16

26

6

4,3

0,5

2

20

30

12

11,5

0,5

3

26

36

20

20,4

0,8

4

31

37

26

25,1

0,8

При положении переключателя SQ2 в положении  «1» он находится в разомкнутом состоянии, то есть реостат нагрузки отключен - режим холостого хода.

При выполнении первого пункта 4.2.1 переключатель SQ2 перевести в положение «2» (замыкается цепь тока нагрузки) и с помощью реостата Rн установить по амперметру РА2 номинальное значение выходного тока стабилизатора, равное например 0,5 А для рассматриваемого варианта «2».

Выходное напряжение U2 на нагрузке Rн контролируется «грубо» с помощью стрелочного вольтметра РU2, расположенного на передней панели макета (см. рис. 11.1) и «точно» с помощью цифрового вольтметра типа ВК7-10А, подключаемого к гнездам SХ3- SХ4 схемы рисунка 11.4 и расположенного на верхней подставке лабораторного стола, на котором установлен макет исследуемого стабилизатора.

Цифровой вольтметр (рис.11.2) имеет 4 основных разряда (индикатора), один дополнительный двоичный разряд, расположенных вверху на его передней панели и пределы измерения 10 В -100 В, устанавливаемые переключателем «П» диапазонов измерений, расположенных в левом нижнем углу его лицевой панели. Прибор включается в сеть переменного тока 220 В тумблером «Сеть» и приводится в действие нажатием кнопки «Пуск». Порядок измерений с помощью цифрового вольтметра ВК7-10А излагается в приложении к лабораторной работе.

Результаты измерений опыта (не менее 8 точек) заносятся в экспериментальную часть таблице 11.2, где U2 - «точные» показания выходного напряжения по цифровому вольтметру.

Таблица 11.2

п/п

изме-рений

Экспериментальная часть

Расчетная часть

U1

В

U2

В

I1

А

I2

А

ΔU1

В

ΔU2

В

N 1

%

N 2

%

Р1

Вт

Р2

Вт

η

%

Kст,

1

2

3

4

5

6

7

6.2.2. Экспериментальное определение внешней (нагрузочной) характеристики U2=f(I2)  при = U1 = U1ном= соnst. (указания к пункту 4.2.2)

Исходное состояние лабораторного макета. Положение переключателей SQ1 и SQ3 аналогичны предыдущему опыту. В начале опыта переключатель SQ2 в положении «1» (нагрузка отключена от стабилизатора, то есть имеет место режим холостого хода). Входное напряжение U1 устанавливается в соответствии с таблицей 11.1. Например, для исходного положения SQ3 в положении «2» U1 = U1ном = 20 В. При этом будем считать, что в этом случае U2 = U2max.

После первого замера ключ SQ2 следует замкнуть и с помощью потенциометра (регулятора) Rн установить минимальное значение тока нагрузки I2 = I2min. Остальные замеры производить, меняя ручкой потенциометра Rн, расположенного справа на лицевой панели макета, ток I2 с шагом 0,1 А до значения I2ном = 0.5 А и устанавливая каждый раз точно U1 = U1ном ручкой регулятора напряжения (автотрансформатора ATV).

Результаты измерений опыта (не менее 8 точек) заносятся в экспериментальную часть таблицы 11.3, где U2 – «точные» показания выходного напряжения по цифровому вольтметру.

Таблица 11.3

п/п

изме-рений

Экспериментальная часть

Расчетная часть

I2

А

U2

В

I1

А

U1

В

ΔU2

В

ΔI2

А

N2i

Р1

Вт

Р2

Вт

η

%

r2 = rвых, Ом

1

2

3

4

5

6

7

8

6.2.3 Экспериментальное снятие входной характеристики I1= f(U1); Rн=const. (указания к пункту 4.2.3).

Исходное состояние лабораторного макета. Положение переключателей SQ1 и SQ3 аналогичны предыдущему опыту. Переключатель SQ2 в положении «2». С помощью потенциометра (регулятора) Rн установить ток I2=I2ном=0,5 А. С помощью  регулятора напряжения (автотрансформатора) изменять входное напряжение U1 ступенями через 1 2 В, в диапазоне данных таблицы 11.1. Результаты измерений опыта (не менее 8 точек) заносятся в экспериментальную часть таблице 11.4.

   Таблица 11.4

№ п/п

измерений

Экспериментальные

данные

Расчетные данные

U1, . В

I1,, A

U1,  В

I1,   А

r1=rвх   Ом

1

2

8

6.2.4 Определение входного сопротивления r1 = rвх  

При выполнении расчетной части таблицы 11.4 следует иметь в виду, что изменения входного напряжения для заданного варианта лабораторной работы соответствуют данным таблицы 11.1:

r1=rвх = ΔU1/ ΔI1= (U1max–U1min)/ (I1max – I1min).

Значение r1 следует определить два раза и сравнить их значения: первый раз в диапазоне стабилизации, где r1< Rн, и второй раз на участке, где стабилизация еще не наступила, то есть при U1< U2ном.

В диапазоне стабилизации стабилизатора, можно принять U1max = 1,1U1ном и U1min=0,9U1ном.  На участке изменения U1, где стабилизация еще не наступила, можно принять U1 U2ном.

6.2.5 Определение коэффициента сглаживания стабилизатора (указания к пункту 4.3).

Коэффициент сглаживания (подавление переменной составляющей), которым обладает стабилизатор, рассчитывается по выражению

qсгл = (U~1/ U1)∙(U~2/U2),

где: U1, U2 – величины напряжения (амплитудное значение) переменной составляющей соответственно на входе и выходе стабилизатора; U1, U2 – то же для постоянной составляющей.

Для измерения величины переменной составляющей напряжения на входе стабилизатора, следует в первом случае подключить осциллограф к гнездам XS1, XS2, а во втором случае – к гнездам XS3, XS4 лабораторного макета. При этом на входе стабилизатора устанавливается уровень напряжения U1=U1ном в соответствии с таблицей 11.1, а в нагрузке устанавливается номинальный ток I2=I2ном.

Осциллограф используется в режиме закрытого входа (то есть наблюдаемый сигнал подается на вход через разделительный конденсатор, пропускающий только переменную составляющую), а потенциометр плавной регулировки его усиления должен быть повернут налево до щелчка. При измерении выходного сигнала чувствительность осциллографа должна быть максимальной (например, развертка по вертикали равна 5 мВ/дел).

6.3 Выводы по результатам работы (указания к пункту 4.3).

Выводы по проделанной работе не должны констатировать внешние признаки, а объяснять их, устанавливая единство теории и эксперимента, объясняя принципиальное отличие одного случая от другого (например, большую нестабильность выходного напряжения стабилизатора в случае изменения тока нагрузки по сравнению со случаем изменения входного напряжения или наоборот, причину сглаживания стабилизатора и т.д.). Выводы не должны повторять содержание лабораторной работы или ответы на контрольные вопросы.

7.Особенности лабораторной установки.

Лабораторная установка (рис. 11.1, 11.4) питается от сети переменного тока 220 В, 50 Гц. Включение установка осуществляется с помощью выключателя SQ1 "Сеть", расположенном в левой верхней части лицевой панели макета. Внутри лабораторной установки имеется "Регулятор напряжения", состоящий из регулируемого автотрансформатора (АТV), рукоятка которого расположена слева в торцевой стенке макета.

Регулируемое переменное напряжение подается на однофазную мостовую схему выпрямления и сглаживающий емкостной фильтр, после которых выпрямленное и сглаженное регулируемое постоянное напряжение Uвх=U1 подается  на вход стабилизатора (гнезда SX1-SX2).

Первичное выпрямленное напряжение измеряется вольтметром PU1, а первичный выпрямленный ток - амперметром РА1, которые расположениы в левой верхней части лицевой панели макета.

Выходной ток стабилизатора (ток нагрузки) плавно меняется резистивным потенциометром Rн,  ручка которого расположена в правой части панели макета. Ток нагрузки измеряется амперметром РА2, а выходное напряжение измеряется "грубо" (вольтметром PU2, расположенном, как и РА2,  в правой верхней части макета) и "точно" (с помощью цифрового вольтметра типа ВК7-10А, подключенного к выходным гнездам стабилизатора SX3-SX4.

Включение и выключение сопротивления нагрузки осуществляется выключателем SQ2.

Для выбора варианта работы схемы стабилизатора используется переключатель SQ3, расположенный в середине лицевой панели макета. Значение номинальных напряжений, устанавливаемых этим переключателем, приведены в табл. 11.1.

Некоторые технические данные цифрового вольтметра ВК7-10А/1 приведены ниже.

Прибор предназначен для измерения постоянного и переменного напряжений и активных сопротивлений.

В данной лабораторной работе он используется только для точного измерения постоянного напряжения на выходе стабилизатора.

Цифровой прибор включается в сеть переменного тока 220 В тумблером «Сеть», расположенном в правом нижнем углу лицевой панели прибора и должен прогреваться в течение времени не менее 5-10 минут. Часть шкалы такого прибора изображена на нижеследующем рисунке 11.2. Пределы измерения на постоянном токе 10, 100 В устанавливается с помощью переключателя П. Прибор обеспечивает четырехзначный цифровой отсчет, цена деления младшего разряда 1, 10, 100 мВ. Имеется дополнительный старший двоичный разряд, благодаря которому пределы расширены до 12(15) и 120 В.

Прибор приводится в действие вручную (нажатием кнопки «Пуск»). Ламповые индикаторы на табло цифрового вольтметра условно помечены цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Индикатор 1 указывает характер измеряемого напряжения

«~»  - переменное ;

«±» - знак измеряемого постоянного напряжения.

Индикатор 2 - дополнительный двоичный разряд для расширения предела измерения до 12(15), 120 В. Например, если мы измеряем U2= 11,533 В, то при положении переключателя «П» на отметке 10 В  загорается цифра «1» в индикаторе «2», в индикаторе "3" появляется цифра 1, после чего появляется маленькая светящаяся точка, констатирующая, что целая часть измеряемой величины закончилась, и что далее пойдут десятые, сотые, тысячные доли вольта. Таким образом, в рассматриваемом примере индикатор 4 показывает пять десятых, индикатор 5 покажет три сотых, а индикатор 6  - три тысячных вольта. Индикатор 7 в данном случае будет высвечивать нажнюю цифру V, т.е. вольты.

Однако, если мы измеряем цифру U2=20.333 В, то переключатель "П" устанавливается в положение 100В. При этом индикатор 2 гаснет, индикатор 3 показывает цифру 2, а индикатор 4 показывает цифру 0, после чего появляется маленькая светящаяся точка, костатирующая , что целая часть измеряемой величины закончилась, и что далее в индикаторах "5" и "6"  будут показаны десятые и сотые доли вольта (а тысячные доли вольта в этом случае не будут фиксироваться).

8. Приложение

8.1. Расчетная часть работы

(указания к пункту 4.2).

1) При выполнении расчетной части таблицы 11.2 необходимо иметь в виду, что определение указанных в них величин производится по следующим выражениям:

 U1 = U1 – U1ном – абсолютное значение приращений входного напряжения;

 U2 = U2 – U2ном – абсолютное значение приращений выходного напряжения.

Знак + соответствует повышению входного напряжения, а знак «-» его понижению относительно номинального.

N1 = U1/U1ном,    N2 = U2/U2ном – нестабильность входного и выходного напряжений (относительно значений этих приращений).

При повышении и понижении входного напряжения от U1ном значения N1 и N2 будут иметь различные значения, что соответствует двум графикам N2 = f (N1) (рисунок 11.3).

P1 = U1I1; P2 = U2I2 – значения мощности, потребляемые стабилизатором от первичного источника и мощности отдаваемой в нагрузку;

= P2 / P1 – коэффициент полезного действия (к.п.д.) стабилизатора.

Коэффициент стабилизации kст = N1/N2 = ΔU1U2ном/ ΔU2U1ном показывает во сколько раз при постоянной нагрузке относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора (N2) меньше, чем вызывающее его относительное изменение на входе (N1).

На практике, обычно, определяется “усредненный” или интегральный коэффициент стабилизации в требуемом диапазоне стабилизации:

где: U1max, U1min - максимальное и минимальное значения входного напряжения, в диапазоне которого определяется коэффициент стабилизации; U2max, U2min - напряжения на нагрузке, соответствующие напряжениям U1max, U1min.

При расчете kст следует иметь в виду, что хотя обычно сетевые источники электропитания имеют колебания входного напряжения U1 в пределах +10% -15% от номинального значения для упрощения расчетов при проведении лабораторной работы следует принять эти колебания в пределах 10 %, то есть U1max = 1,1 U1ном, а U1min = 0,9 U1ном, где значения U1ном  приводятся в таблице 11.1.

2) При выполнении расчетной части таблицы 11.3 следует иметь в виду, что нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки N2i определяется как:

N2i= ΔU2 /U2= (U2max- U2)/U2ном,

а выходное сопротивление стабилизатора (его среднее значение):

r2=rвых = ΔU2/ ΔI2= (U2maxU2min)/ (I2max - I2min).

Чем меньше rвых, тем меньше нестабильность N2i.

8.2 Принцип действия и основные параметры

компенсационного стабилизатора напряжения

непрерывного действия.

Напряжение и ток на нагрузке потребителя меняются при изменении величины, формы или частоты напряжения питающей сети, сопротивления или характера нагрузки, а также и температуры окружающей среды. Устройства, автоматически поддерживающие неизменным напряжение (ток) на нагрузке с заданной степенью точности называются стабилизаторами напряжения (тока).

Стабилизаторы постоянного напряжения (СН) с непрерывным режимом работы регулирующего элемента (РЭ), то есть транзистора, применяются при относительно малых мощностях в нагрузке. СН с импульсным режимом работы регулирующего транзистора (получивших сокращенное название ИСН, имеют более высокий КПД, но они сложнее и дороже из-за необходимости блоков L-C-D фильтра и широтно – импульсного модулятора).

На рисунке 11.5 изображена структурная схема непрерывного стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа. Такой стабилизатор последовательного типа состоит из:

  1.  Регулирующего элемента РЭ, включенного последовательно с нагрузкой (не показанной на рисунке 11.5, напряжение на которой обозначается U2 (клеммы XS3÷XS4) и измеряется цифровым вольтметром ВК7-10А.
  2.  Схемы сравнения СС,
  3.  Усилителя постоянного тока УПТ.

В схеме сравнения сравниваются выходное (U2) и опорное напряжение (ИОН- источник опорного напряжения).

Сигнал разности этих двух напряжений (сигнал ошибки) подается на вход УПТ. Изменение сигнала на входе РЭ (входного напряжения U1) вызывает такое изменение сопротивления РЭ, то есть изменение падения напряжения на нем, при котором отклонение входного напряжения компенсируется, в результате чего напряжение на выходе возвращается к своему первоначальному (номинальному) значению с определенной степенью точности.

Из приведенного выше описания ясно, что компенсационный стабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью (включающую в себя элементы СС и УПТ) и что тем больше коэффициент усиления УПТ, тем выше стабильность выходного напряжения, оцениваемая коэффициентом стабилизации.

Принципиальная схема исследуемого стабилизатора приведена на рисунке 11.4. Составной транзистор VТ1, VТ2 выполняет функции регулирующего элемента РЭ. Транзистор VТ3 выполняет функцию усилителя постоянного тока УПТ, который усиливает разность части выходного напряжения U2, снимаемого с нижнего плеча R4  делителя напряжения R3 - R4 , и опорного напряжения. Опорным напряжением является  напряжение стабилизации стабилитрон VD1, который совместно с резистором R2 образует параметрический стабилизатор постоянного напряжения. Резистором R1 является нагрузкой в цепи коллектора однокаскадного УПТ.

Стабилизация U2 на нагрузке  осуществляется следующим образом. Допустим, что в результате увеличения входного напряжения U1 или уменьшения тока нагрузки Iн (в результате увеличения сопротивления  нагрузки Rн) напряжение на выходе стабилизатора U2   начинает увеличивается. При этом возрастает падение напряжения на резисторе R4 выходного делителя и потенциал базы транзистора VТ3 относительно общей точки схемы (определяемой потенциалом точек ХS2-ХS4) становится более отрицательным.

Потенциал эмиттера транзистора VТ3 относительно общей точки остается практически неизменным,  так он определяется источником опорного напряжения на стабилитроне VD1. В результате к переходу эмиттер - база транзистора VТ3 прикладывается разность напряжений UR4 и Uоп, которая равна изменению напряжения на резисторе R4, то есть ΔUR4. Коллекторный ток Iку транзистора VТ3 (протекает по цепи:  +ХS2, стабилитрон VD1, эмиттер - коллектор VТ3, резистор R1 , -ХS1) увеличивается и падение напряжения на резисторе R1 возрастает. При увеличение Iку и падения напряжения на R1 потенциал коллектора VТ3 (в виду открытия), а следовательно и потенциал базы VТ2VТ1) относительно общей точки становится более положительной. Так как все транзисторы рассматриваемого стабилизатора относятся к типу р-n-р транзисторов, то увеличение знака «+» на базе VТ2VТ1) приводит к некоторому их запиранию, то есть ток базы VТ2VТ1) уменьшится, сопротивление их перехода эмиттер - коллектор постоянному току увеличится, падение напряжения на этих переходах возрастет и компенсирует увеличение напряжения на выходе стабилизатора.

При уменьшении входного напряжения или увеличение тока нагрузки стабилизатор напряжения работает аналогично.

Отметим, что через резисторе R1 протекает не только ток коллектора транзистора VТ3, то есть IКVT, но и ток базы составного транзистора VТ1- VТ2 – Iбр (протекает по цепи:  +ХS2, RН, эмиттерно - базовые переходы VТ1-VТ2, R1, - ХS1). Для увеличения коэффициента стабилизации по напряжению kст необходимо обеспечить такой режим работы, чтобы ток коллектор Iку был бы много больше тока базы регулирующего транзистора Iбр, то есть Iку>> Iбр. Тогда падение напряжения на резисторе R1 будет определяться в основном током коллектора УПТ Iку, а не изменением тока базы VТ1- VТ2 – Iбр, то есть будет определяться влиянием параметров цепи отрицательной обратной связи стабилизатора: выходным делителем R3 -R4, схемой сравнения на базе УПТ - транзисторе VТ3, опорного источника на стабилитроне VD1 и сопротивлении резистора R1. Очевидно увеличение коэффициента усиления УПТ увеличивает эффективность действия обратной связи. На практике бывает достаточно обеспечить выполнение неравенства:

Iку≥10 Iбр.              …(1)

Схема компенсационного стабилизатора, у которого в качестве РЭ применяется только один транзистор, обладает высоким kст и низким выходным сопротивлением rвых только при малом токе нагрузки, не превышающим 10 - 100 mА. При большем токе нагрузки показатели качества стабилизации (kст, rвых) заметно ухудшаются из-за невыполнения условия, выраженного вышеприведенным неравенством. Для расширения диапазона нагрузки компенсационных стабилизаторов до единиц ампер и более в качестве РЭ применяют составной транзистор, выполненный на базе двух, как на рисунке 11.4, или даже трёх транзисторов одного типа проводимости. Составной РЭ обладает коэффициентом усиления по току в схеме с общим эмиттером h21э, равным произведению коэффициентов усиления по току каждого из транзисторов в отдельности и может достигать нескольких тысяч, что обеспечивает вышеприведенное условие (1). Так, например для двухтранзисторного составного РЭ (схема рисунка 11.4) при условии, что IкэVT1≈Iн:

,   …(2)

где для большинства типов транзисторов h21эVT1= h21эVT2≥40 - 50, и поэтому IбрVT2 весьма мал, то есть условие (1) автоматически выполняется.

В установившемся режиме работа стабилизатора описывается соотношениями:

U1=U2+Uкр; I1=Iн+Iд+Iст; Uоп=kДU2,               …(3)

где: Uкр - падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT1, являющегося регулятором; Iд - ток через делитель выходного напряжения, Iд 5%Iн; Iст - среднее значение тока через стабилитрон VD1 (определяется типом стабилитрона).

Коэффициент передачи делителя кД= R4/(R3+R4). Очевидно, меняя величину kД или Uоп можно изменять величину выходного напряжения стабилизатора U2.

На регулирующем элементе рассеивается мощность:

Pкр=UкрI1  …(4)

величина которой во время работы стабилизатора изменяется с учетом (3)

Pкр=(U1-U2)(Iн+Iд+Iст)=(U1-U2)I1 …(5)

Регулирующий транзистор работает в активной области, поэтому падение напряжения Uкр на нем больше, чем величина напряжения насыщения транзистора Uкн.

Коэффициент полезного действия стабилизатора:

η= Pн/P1= U2Iн /U1I1U2/U1,

так как Iд+IстIн, поэтому I1≈Iн.

Регулировка выходного напряжения стабилизатора часто осуществляется с помощью дополнительного потенциометра (перемещением его движка), помещаемого в схеме рисунка 11.4 между резисторами R3 и R4, не показанного на этом рисунке.

Непрерывные стабилизаторы обладают следующими достоинствами:

  1.  Высокая точность стабилизации выходного напряжения (kст - велик, N2 - мало), при этом стабилизатор одинаково хорошо ослабляет как медленные изменения входного напряжения, так и переменную составляющую (пульсацию), которая возникает на выходе сетевого выпрямителя (обычно 100 Гц), от которого питается стабилизатор 2.
  2.  Малое выходное (внутреннее) сопротивление.

Недостатками стабилизаторов является сравнительно низкий к.п.д., обусловленной потерей мощности на регулирующем элементе, а также невысокие массогабаритные показатели (в том числе из-за наличия громоздких охлаждающих радиаторов).

На практике непрерывные стабилизаторы часто реализуются на базе интегральных микросхем серии К142ЕН [1], [2].

V

Цифровой вольтметр

ис. 11.1. Панель лабораторной установки

Рис.11.2. Часть шкалы цифрового вольтметра

Рис.11.3. Графики нестабильностей

Рис.11.4. Схема лабораторной установки

Рис. 11.5. Структурная схема непрерывного стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа

SX3

SX4

SX1

SX2

РЭ

+

-

2

1

(-)

PU2

PA2

PU1

PA1

SQ2

U

U

2

1

SX3

SX4

SX2

SX1

H

R

C1

R4

R3

R2

VT3

ОП

U

VD1

VT1

VT2

R1

50 Гц

~220 B

“Сеть”

SQ1

FU

жения

напря-

лятор

Регу-

2

1

2

1

А

А

V

УПТ

СС

ИОН

U

U

2

1

+

+

к нагрузке