6795

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ Цель работы - исследование рабочего участка вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона, изучение основных характеристик параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения и определен...

Русский

2013-01-08

126 KB

35 чел.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Цель работы – исследование рабочего участка вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона, изучение основных характеристик параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения и определение их качественных показателей.

3.1 Основные положения

Электронные устройства, как правило, питаются от сети переменного тока через выпрямители. При этом постоянное напряжение на нагрузке может изменяться в достаточно широких пределах за счет колебаний напряжения питающей сети, изменении тока нагрузки, температуры и т.д.

Нестабильность напряжения представляет собой отношение изменения напряжения к его номинальному значению и измеряется в процентах. Так, нестабильность промышленной сети переменного тока может меняться от +5% до –15%. В ряде случаев электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1% и меньше. В этих случаях между выпрямителем с фильтром и нагрузкой ставится устройство, которое автоматически поддерживает постоянное выходное напряжение. Такое устройство называется стабилизатором напряжения. Существуют два основных типа стабилизаторов : параметрические и компенсационные.

3.1.1 Основные параметры стабилизаторов

Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются:

коэффициент стабилизации, равный отношению относительного изменения напряжения на входе стабилизатора к относительному изменению напряжения на его выходе при Rн=const:

,

(3.1)

где  Uвх и Uн – приращения входного и выходного напряжений;

Uвх и Uн – номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора;

входное (внутреннее) сопротивление стабилизатора – это отношение выходного напряжения Uн к приращению тока нагрузки Iн при Uвх= const:

;

(3.2)

коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделенной в нагрузке Рн, к входной мощности Рвх:

.

(3.3)

3.1.2 Параметрический стабилизатор

Принцип действия параметрического стабилизатора основан на использовании элемента с нелинейной вольт-амперной характеристикой, которой обладает полупроводниковый стабилитрон. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис.3.1,а. Стабилитрон - это кремниевый диод, рабочим участком которого является область электрического пробоя при приложении обратного напряжения (участок АВ). При изменении тока  от Iст.min до Iст.max напряжение на стабилитроне изменяется очень незначительно.

 

Рисунок 3.1 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а)

и схема параметрического стабилизатора (б)

Основные параметры стабилитрона:

Iст.ном., Uст.ном. – номинальные значения тока и напряжения стабилизации;

Iст.min и Iст.max – минимальное и максимальное значение тока стабилитрона на рабочем участке;

– дифференциальное сопротивление, определяющее наклон рабочего участка характеристики стабилитрона.

Схема параметрического стабилизатора приведена на рис.3.1.б. Нагрузка Rн включается параллельно стабилитрону VD. Балластный резистор Rб ограничивает ток стабилитрона так, чтобы он не выходил за пределы рабочего участка при изменениях тока нагрузки. Работа параметрического стабилизатора заключается в следующем. Так как напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне Uн = Uст, то изменения входного напряжения Uвх или тока нагрузки Iн будут приводить к изменению тока стабилитрона Iст. Это видно из соотношения токов и напряжений для данной схемы

,

(3.4)

где  Iвх=Iст+Iн – суммарный входной ток, протекающий через резистор Rб.

Рассмотрим два случая работы стабилизатора : в первом случае при увеличении, например, входного напряжения Uвх и Rн=const будет увеличиваться падение напряжения на резисторе Rб за счет увеличения тока Iвх, протекающего через него. Так как напряжение на нагрузке практически не изменяется, ток нагрузки Iн будет постоянным. Таким образом, все приращения тока Iвх пройдет через стабилитрон и его ток Iст увеличится. Во втором случае, если при Uвх=const увеличить ток нагрузки Iн, то ток стабилитрона Iст при этом уменьшается на такое же значение, а напряжение на нагрузке остается также практически постоянным.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется из выражения [1]

.

(3.5)

Выходное сопротивление стабилизатора равно  

Параметрические стабилизаторы отличаются простотой, однако имеют Кст не более 20-40 и выходное сопротивление единицы Ом.

3.1.3 Компенсационный стабилизатор

Высокую степень стабилизации выходного напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой систему автоматического регулирования, в которой сигнал с выхода стабилизатора по цепи обратной связи передается на его вход.

На рис.3.2 приведена структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа, в которой регулирующий элемент РЭ включен последовательно с нагрузкой Н. Выходное напряжение стабилизатора Uн сравнивается с опорным напряжением Uоп и разностный сигнал рассогласования  поступает на вход усилителя У, где он усиливается и воздействует на регулирующий элемент.

Принцип стабилизации выходного напряжения заключается в изменении внутреннего сопротивления РЭ под воздействием сигнала рассогласования U таким образом, чтобы выходное напряжение вернулось к исходному значению. Так, при U 0 внутреннее сопротивление РЭ возрастает, что приводит к увеличению на нем падения напряжения. Поскольку РЭ и нагрузка включены последовательно, это приводит к уменьшению выходного напряжения, которое будет приближаться к значению Uоп. При U  0 внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем умень-шаются, что приведет к возрастанию выходного напряжения.

Принципиальная схема транзисторного компенсационного стабилизатора приведена на рис.3.3. В данной схеме регулирующий элемент собран на составных транзисторах (VT2, VT3), что позволяет существенно увеличить коэффициент усиления по току данной структуры и тем самым согласовать вход мощного транзистора VT3 c выходов маломощного усилительного транзистора VT4. Резистор R3 задает необходимую рабочую точку транзисторов VT2 и VT3 в режиме малых токов нагрузки и при повышенных температурах. Резистор R4 задает ток стабилитрона VT2, который является источником опорного напряжения Uоп. Резисторы R5, R6 образуют делитель напряжения, с которого сигнал Ur6, пропорциональный выходному напряжению Uн, подается на схему сравнения. Переход база-эмиттер транзистора VT4 является схемой сравнения, а сам транзистор VT4 –усилителем сигнала рассогласования.

Рисунок 3.3 - Схема компенсационного стабилизатора

Напряжение питания усилителя постоянного тока на транзисторе VT4 оказывает существенное влияние на стабильность выходного напряжения. При питании усилителя непосредственно от входного напряжения стабилизатора изменения этого напряжения приводят к значительным изменениям коллекторного тока транзистора VT4, что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента стабилизации. Для устранения этого недостатка в данной схеме питание транзистора VT4 осуществляется от стабилизатора тока, собранного на транзисторе VT1. Стабилитрон VD1 фиксирует потенциал базы VT1. В результате ток эмиттера, а следовательно, и ток коллектора VT1, равный , практически не зависит от изменения входного напряжения.

При увеличении, например, входного напряжения Uвх в первый момент напряжение на выходе стабилизатора также увеличится. При этом  увеличится напряжение UR6 на нижнем плече делителя R5, R6. Потенциал базы транзистора VT4 становится более положительным. Потенциал эмиттера транзистора VT4 остается практически постоянным, так как определяется напряжением стабилитрона VD2. Таким образом, напряжение база-эмиттер транзистора VT4 возрастает  будет увеличиваться. В результате ток коллектора Ik4 транзистора VT4 возрастает. При постоянном токе коллектора Ik2 это приведет к уменьшению тока базы Iб2 транзистора VT2. Составной транзистор VT2, VT3 подзапирается и падение напряжения на нем возрастает, снижая тем самым почти до прежней величины выходное напряжение стабилизатора. Подобно рассмотренному случаю осуществляется компенсация изменения напряжения на выходе стабилизатора при уменьшении входного напряжения, а также при изменении тока нагрузки. Коэффициент стабилизации такой схемы может достигать значений до 150-300, а внутреннее сопротивление составляет десятые доли Ома.

3.2 Описание схем эксперимента

В работе исследуются два типа стабилизаторов напряжения, схемы которых приведены на рис.3.4. Такое же изображение имеют схемы на накладной панели стенда с указанием контрольных точек (гнезда Х1-Х7).

При экспериментальном исследовании приведенных схем стабилизаторов необходимо снять характеристики, позволяющие определить их качественные показатели. К таким характеристикам относятся:

зависимость выходного напряжения стабилизатора от изменения входного напряжения  при Iн=const.

внешняя характеристика стабилизатора  при Uвх=const.

В параметрическом стабилизаторе токи Iн и Iст измеряются по падению напряжения на резисторах шунтов rш=1 Ом, которые фиксируются на гнездах Х3 и Х4 (рис.3.4,а). Аналогично ток нагрузки компенсационного стабилизатора фиксируется на гнезде Х6 (рис.3.4,б).

 

Рисунок 3.4 - Схемы параметрического (а) и компенсационного (б)

стабилизаторов напряжения

Входное напряжение Uвх задается от регулируемого стабилизированного источника напряжения. Это упрощает эксперименты, так как не требуется дополнительное измерение входного напряжения при снятии характеристик. Ток нагрузки устанавливается ручкой «Rн», а входное напряжение задается ручкой «Uвх» и измеряется на гнезде Х1.

В компенсационном стабилизаторе приращения напряжения на нагрузке Uн при изменении входного напряжения или тока нагрузки составляют единицы милливольт, что трудно измерить непосредственно цифровым вольтметром на уровне выходного напряжения стабилизатора в несколько единиц вольт. Для повышения точности измерения Uн используется компенсационный метод, который заключается в следующем. На сравнивающее устройство СУ с коэффициентом передачи равным единице подаются напряжение Uн  и компенсирующее напряжение Е1 (рис.3.4,б). Вращая ручку «Е1», добиваются снижения напряжения на выходе СУ до нескольких десятков милливольт (гнездо Х7). На этом уровне можно достаточно точно приводить измерения приращений напряжений на нагрузке Uн.

3.3 Порядок выполнения работы

Предварительным заданием является изучение схем исследуемых стабилизаторов.

Перед началом экспериментов подготовьте стенд в соответствии с п.3.1 к работе в соответствии с указаниями данной инструкции.

3.3.1 Исследование параметрического стабилизатора

3.3.1.1 Снять внешнюю характеристику  при номинальном входном напряжении Uвх=14 В. Ток нагрузки изменяется от минимального до максимального значения ручкой «Rн». Токи стабилитрона Iст и нагрузки Iн определяются путем измерения падения напряжения на шунтах rш= 1 Ом (гнезда Х3 и Х4). Данные измерений занести в табл.3.1.

Таблица 3.1

Iн, mA

Iст ,mA

Uн, B

3.3.1.2 Снять зависимость  при токе нагрузки Iн= 8 mA, изменяя входное напряжение в пределах от 12 В до 16 В ручкой «Uвх». Данные измерений занести в табл.3.2.

Таблица 3.2

Uвх, В

12

13

14

15

16

Uн, В

3.3.2 Исследование компенсационного стабилизатора

3.3.2.1 Снять внешнюю характеристику  при номинальном входном напряжении Uвх= 14 В. Ток нагрузки изменяется от минимального до максимального значения ручкой «Rн» и определяется по падению напряжения на шунте rш= 1 Ом (гнездо Х6).

При измерении выходного напряжения на нагрузке основное значение имеют приращения этого напряжения Uн, которые являются очень малыми величинами и измеряются компенсационным методом в соответствии с п.3.2. Измерения проводятся в следующем порядке. Установить и измерить минимальный ток нагрузки. Вращая ручку «Е1», добиваются на выходе СУ (гнездо Х7) напряжения не более +(40-50) мВ и запоминают его. Увеличивая ток нагрузки с интервалом 10 mA, определяют приращения Uн, как разность между запомненным и новым значениями напряжений на выходе СУ. Напряжение на нагрузке равно Uн=Uно-Uн, где Uно- выходное напряжение, измеренное при минимальном токе нагрузки.

Данные измерений занести в табл.3.3.

Таблица 3.3

Iн, mA

U, mB

Uн, В

3.3.2.2 Снять зависимость  при токе нагрузке Iн= 50 мА, изменяя входное напряжение от 12 В до 16 В ручкой «Uвх». Измерения приращений напряжения на нагрузке определяют аналогично п.3.3.2.1. Для этого при Uвх= 12 В устанавливают на выходе СУ напряжение не более +(4050) mB и от этого уровня определяют Uн. Напряжение на нагрузке при увеличении Uвх равно , где - выходное напряжение, измеренное при Uвх= 12 В. Данные измерений занести в табл.3.4.

Таблица 3.4

Uвх, В

12

13

14

15

16

U, mB

Uн, В

3.4 Обработка результатов эксперимента
и оформление отчета

3.4.1 Для параметрического стабилизатора в соответствии с табл.3.1 построить внешнюю характеристику  и обратную ветвь рабочего участка вольт-амперной характеристики стабилитрона Uст=f(Iст), учитывая равенство напряжений на стабилитроне и нагрузке Uст=Uн.

По наклонам внешней характеристики и характеристики стабилитрона определить выходное сопротивление стабилизатора Rвых и динамическое сопротивление стабилитрона rg. Проанализировать их величины с использованием п.3.1.2.

3.4.2 Построить зависимость Uн=f(Uвх) в соответствии с табл.3.2. По построенному графику рассчитать коэффициент стабилизации Кст по формуле (3.1) при номинальном входном напряжении Uвх=14 В.

3.4.3 Определить расчетное значение коэффициента стабилизации по формуле (3.5) при Rб=390 Ом и динамическом сопротивлении стабилитрона rg, полученном в п.3.4.1. Номинальное входное напряжение Uвх=14 В. Сравнить результаты расчета с п.3.4.2.

3.4.4 Построить в соответствии с табл.3.3 внешнюю характеристику компенсационного стабилизатора в укрупненном масштабе, используя только зависимость приращений выходного напряжения от тока нагрузки . Определить по наклону данной характеристики выходное сопротивление стабилизатора.

3.4.5 Построить в соответствии с табл.3.4 зависимость  при Iн=const. Построение выполнить аналогично п.3.4.4. для приращений выходного напряжения Uн. По графику определить коэффициент стабилизации при номинальном входном напряжении Uвх=14 В.

Отчет о выполненной работе должен содержать: цель работы, принципиальные схемы эксперимента, формулы, таблицы и графики, полученные в результате эксперимента. Отчет должен включать краткий анализ и выводы по результатам эксперимента и расчета.

Вопросы для самопроверки

  1.  Перечислите основные параметры стабилизаторов и характеристики, используемые для их измерений.
  2.  Перечислите основные параметры полупроводникового стабилитрона. Какой параметр определяет его качественные показатели в схеме параметрического стабилизатора?
  3.  Объясните принцип работы параметрического стабилизатора напряжения.
  4.  Поясните, как можно экспериментально определить коэффициент стабилизации и выходное сопротивление стабилизатора.
  5.  Объясните работу компенсационного стабилизатора, например, при уменьшении входного напряжения.
  6.  Для чего в компенсационном стабилизаторе регулирующий элемент выполнен на составных транзисторах?
  7.  С какой целью в компенсационном стабилизаторе используется источник тока для питания усилителя сигнала рассогласования?
  8.  Опишите работу компенсационного стабилизатора при Uвх=const и изменении тока нагрузки.
  9.  Поясните, как влияет соотношение делителя из резисторов R5 и R6 на значение выходного напряжения компенсационного стабилизатора (рис.3.3).
  10.  Приведите сравнительный анализ качественных показателей параметрических и компенсационных стабилизаторов на основе проведенных экспериментов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74563. Цілочислове програмування 639 KB
  Геометрична інтерпретація розвязків цілочислових задач лінійного програмування на площині. Загальна характеристика методів розвязування цілочислових задач лінійного програмування.
74564. Нелінійні оптимізаційні моделі економічних систем 910 KB
  Основні труднощі розвязування задач нелінійного програмування. Раніше було розглянуто методи розвязування задач лінійного програмування. Галузі обєднання та окремі підприємства народного господарства функціонують і розвиваються за умов невизначеності а тому адекватно їх можна описати нелінійними стохастичними динамічними моделями. Зауважимо що сучасний рівень розвитку компютерної техніки і методів математичного моделювання створює передумови для застосування нелінійних методів а це може суттєво підвищити якість розроблюваних планів...
74565. Квадратичне програмування 597.5 KB
  Метод розвязування задач квадратичного програмування. Система має ненульовий розвязок якщо. Метод розвязування задач квадратичного програмування Зазначимо що відомим з теорії аналізу функцій є таке твердження: відємно означена квадратична форма є угнутою а додатно означена опуклою...
74566. Научное знание в Древней Греции 60 KB
  Определение математики как универсального языка способствовало развитию принципов рационального типа мышления. Важнейшей вехой на пути создания математики как теоретической науки были работы пифагорейской школы. Греческие ученые развили прежде всего процедурную и операционную стороны математики выработав понятие доказательства утверждений. Связи между этими двумя областями возникающей математики были двухсторонними.
74567. Научное знание в эпоху Средневековья 43.63 KB
  Все это методологически подготовило формирование опытной науки. На ранних этапах средневековья центрами научнофилософской мысли были монастыри и храмы но с появлением университетов именно они стали центрами развития философии и науки. Их деятельность объективно способствовала развитию науки в экспериментальном направлении. В целом он обосновывал идею опытной науки.
74568. Развитие науки в период Нового времени 98.15 KB
  Предпосылки развитию науки формировались во всех сферах жизни общества. Обществу становилась все более ясной практическая польза науки как и взаимная заинтересованность научных исследований в новых общественных отношениях. Этот период можно с полным правом назвать веком науки и научной революции.
74569. Современный этап в развитии науки 38.56 KB
  Как известно XIX век это период дисциплинарного оформления науки. Дифференциация научного знания приведшая к появлению новых научных дисциплин со своим предметом и специфическими средствами познания продолжала оставаться ведущей тенденцией развития науки того времени. Сформировались образ науки как дисциплинарно организованного знания и дисциплинарный подход ориентированный на изучение специфических частных закономерностей и явлений.
74570. Возникновение науки, основные стадии её исторической 36.5 KB
  Наука была всегда с момента зарождения человеческого общества т. Наука начинает отсчет с египетской цивилизации. Наука возникла в Древней Греции т. Наука возникла в Западной Европе в 1214 веках поскольку появился интерес к опытному знанию и математике.
74571. Научное знание Древнего Египта 41 KB
  Цивилизация Древнего Египта того времени располагала глубокими знаниями в области математики медицины географии химии астрономии и других областях. За тысячи лет до талантливых мужей Эллады жрецы Древнего Египта в совершенстве изучили и овладели секретами которые мы заново открываем в наш стремительный век.