72728

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Полупроводниковые стабилизаторы напряжения используются в основном для питания электронной аппаратуры. При их разработке нужно обеспечить две группы показателей: 1 максимальное выходное напряжение заданный диапазон регулирования выходного напряжения допустимую относительную...

Русский

2014-11-27

290.5 KB

13 чел.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы:

  1.  Ознакомление с принципом работы параметрических стабилизаторов напряжения;
  2.  Изучение принципа действия и исследование характеристик компенсационного стабилизатора постоянного напряжения.

1 Краткие теоретические сведения.

Полупроводниковые стабилизаторы напряжения используются в основном для питания электронной аппаратуры. При их разработке нужно обеспечить две группы показателей:

1) максимальное выходное напряжение, заданный диапазон регулирования выходного напряжения, допустимую относительную нестабильность выходного напряжения;

2) максимальный ток нагрузки, диапазон изменений тока нагрузки.

Для того, чтобы нестабильность выходного напряжения укладывалась в заданные пределы, как при изменениях нагрузочного тока, так и при изменениях питающего напряжения, стабилизатор должен иметь соответствующие значения дифференциальных параметров - выходного сопротивления и коэффициента стабилизации.

Стабилизаторы напряжения характеризуются следующими основными параметрами:

а) Коэффициент стабилизации – есть отношение относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе при постоянной нагрузке:

                                       (1)

б) Выходное сопротивление характеризует изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и постоянном входном напряжении:

                                            (2)

в) Коэффициент полезного действия (КПД) стабилизатора – есть отношение номинальной мощности в нагрузке к номинальной входной мощности:

                                             (3)

Различают три метода стабилизации: параметрический, компенсационный и смешанный.

Параметрический метод основан на изменении параметров стабилизирующего элемента таким образом, чтобы скомпенсировать дестабилизирующие факторы. При этом используются бареттеры, стабилитроны, феррорезонансные цепи и другие нелинейные элементы.

При компенсационном методе стабилизации величина выходного напряжения сравнивается с эталонным напряжением и разностное напряжение так воздействует на исполнительный элемент стабилизатора, что при этом компенсируются изменения выходного напряжения.

В смешанных методах стабилизации одновременно используются параметрический и компенсационный методы.

1.1 Параметрический стабилизатор напряжения.

В параметрических стабилизаторах напряжения используется прибор с резко нелинейной зависимостью тока от напряжения – стабилитрон. Схема включения стабилитрона выбирается так, чтобы при колебаниях входного напряжения выходное напряжение практически не менялось. Схема параметрического стабилизатора напряжения на газоразрядном стабилитроне приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема параметрического стабилизатора напряжения на газоразрядном стабилитроне

Вольтамперная характеристика газоразрядного стабилитрона (рисунок 2) имеет участок АВ, на котором напряжение остаётся неизменным при изменении тока. Напряжение в пределах, соответствующих рабочему участку АВ характеристики, называется напряжением стабилизации.

Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика газоразрядного стабилитрона

Последовательно с параллельно включенным стабилитроном и резистором нагрузки (рисунок 1) включается балластный резистор , по которому протекает ток . Входное напряжение , где .

Схема работает следующим образом. Пусть, например, изменяется входное напряжение . Если входное напряжение увеличивается, то должно увеличиться и напряжение  на нагрузочном резисторе . Но стабилитрон работает в таком режиме, что незначительное повышение напряжения на нем вызывает резкое возрастание тока стабилитрона  (рисунок 2). При этом увеличивается ток  и падение напряжения на балластном резисторе . В результате падение напряжения на нагрузке  остается практически неизменным.

Рассмотрим другой возможный случай – изменение тока нагрузки . Увеличение тока  должно вызывать уменьшение напряжения на нагрузке из-за дополнительного падения напряжения на балластном сопротивлении . Но незначительное уменьшение напряжения на стабилитроне вызывает резкое уменьшение тока в нем. В результате уменьшаются ток в балластном сопротивлении  и падение напряжения на этом сопротивлении, а следовательно напряжение на нагрузке останется практически без изменения.

Газоразрядные стабилитроны широко применяются в аппаратуре на электронных лампах. Однако они не могут быть изготовлены на напряжение ниже 75 в, неработоспособны при токах нагрузки более 50 мА, – имеют относительно низкий коэффициент стабилизации (8 ÷ 20) и недостаточную стабильность во времени. Поэтому помимо стабилизаторов с газоразрядными стабилитронами применяются полупроводниковые стабилизаторы, в которых для стабилизации напряжения используются кремниевые стабилитроны.

В кремниевых стабилитронах рабочий участком вольтамперной характеристики является та часть ее, которая соответствует обратному току – обратному напряжению и расположена примерно параллельно оси тока (рисунок 3).

Рисунок 3 – Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона

Схема стабилизатора напряжения с кремниевым стабилитроном, аналогичная схеме с газоразрядным стабилитроном, приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне

Кремниевые стабилитроны выпускаются для значительно более широких интервалов рабочих напряжения (0,7 ÷ 300 В) и токов (единицы миллиампер – 2 А), имеют высокую стабильность во времени и малые габариты, т.е. особенно удобны для стабилизации напряжения питания транзисторных схем. Коэффициент стабилизации стабилизатора с кремниевым стабилитроном может достигать 100. Единственным недостатком некоторых типов стабилитронов является заметная температурная зависимость напряжения стабилизации, достигающая 0,1% на 1°С.

1.2 Компенсационные стабилизаторы напряжения.

Более высокий коэффициент стабилизации (несколько сотен или тысяч единиц) можно получить, применив компенсационные стабилизаторы. Различают стабилизаторы параллельного и последовательного типов (рисунок 5)

Рисунок 5 – Блок-схема компенсационного стабилизатора

Как наиболее экономичный, чаще применяется компенсационный стабилизатор последовательного типа, который исследуется в данной лабораторной работе.

В компенсационных стабилизаторах напряжения, как отмечалось выше, производится сравнение фактической величины  с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака разности между ними автоматически осуществляется соответствующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этой разности. То есть компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа представляет собой систему автоматического регулирования.

Основными элементами таких стабилизаторов является: источник опорного напряжения 3, сравнивающий и усилительный элемент (УПТ) 2 и регулирующий элемент (транзистор или электронная лампа) 1.

С опорным напряжением сравнивается выходное напряжение стабилизатора или часть его. В качестве источника опорного напряжения в большинстве случаев используются параметрические стабилизаторы. Усилитель постоянного тока 2 сравнивает и усиливает разность между опорным и выходным напряжениями до величины, необходимой для управления регулирующим элементом 1 – мощным транзистором.

Регулирующий элемент 1 исполняет роль балластного сопротивления. Схема усилителя постоянного тока 2 строится так, чтобы при возрастании напряжения на выходе стабилизатора (например, за счет увеличения входного напряжения или уменьшения тока нагрузки) выходной сигнал усилителя запирал регулирующий элемент. При этой внутреннее сопротивление регулирующего элемента 1 возрастает, падение напряжения на нем увеличивается, а  остается практически неизменным. При уменьшении выходного напряжения реакция стабилизатора будет обратной. В стабилизаторах последовательного типа на регулирующем элементе падает напряжение равное .

1.2.1 Однокаскадный стабилизатор последовательного типа без усилительного элемента.

Стабилизатор последовательного типа, у которого в качестве регулирующего и усилительного элементов используется один транзистор (рисунок 6), по существу представляет собой эмиттерный повторитель.

Рисунок 6 – Принципиальная схема стабилизатора последовательного типа

Потенциал базы эмиттерного повторителя задается параметрическим стабилизатором. Выходное напряжение представляет собой разность между опорным напряжением  и напряжением

                                                   (4)

Стабилизация напряжения осуществляется следующим образом. При возрастании  уменьшается напряжение между эмиттером и базой транзистора  при , что вызывает рост сопротивления транзистора и увеличение падения напряжения на нем, а выходное напряжение при этом почти не меняется.

1.2.2 Стабилизатор последовательного типа с однокаскадным УПТ.

Принципиальная схема стабилизатора последовательного типа с однокаскадным УПТ приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Принципиальная схема стабилизатора последовательного типа с однокаскадным УПТ

В этой схеме регулирующим элементом является транзистор , а сравнивающим и усилительным – транзистор . Схема работает следующим образом. Напряжение стабилизации  подается на одну из диагоналей моста, в одно плечо которого включен стабилитрон , во второе – резистор . Третье и четвертое плечи образованы резистором . Напряжение на стабилитроне стабильно, поэтому при изменении выходного напряжения  изменяется напряжение в другой диагонали моста, в которую включен эмиттерный переход . Если по какой-либо причине напряжение увеличивается (при увеличении напряжения на входе или уменьшении тока нагрузки), то потенциал базы становится более отрицательным относительно эмиттера. Транзистор  приоткрывается, его коллекторный ток возрастает. Приращение коллекторного тока  создает на резисторе  падение напряжения, плюсом приложенное к базе регулирующего транзистора . Регулирующий транзистор подзапирается, падение напряжения на нем возрастает, компенсируя увеличение входного напряжения. Выходное напряжение при этом остается практически постоянный.

2 Экспериментальная установка.

Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рисунке 8. В качестве вольтметра  для измерения  используется электронный цифровой вольтметр ВК 2-20. Выходное напряжение  измеряется цифровым вольтметром В 7-38. Оба прибора подключены к клешам макета. В качестве трансформатора  применяется автотрансформатор.

Рисунок 8 – Принципиальная схема экспериментальной установки

3 Порядок выполнения работы.

3.1 Ознакомиться с указанной литературой.

3.2 Ознакомиться с приборами по «Техническому описанию и инструкции к эксплуатации».

3.3 Перед включением установим в сеть повернуть регулировочную ручку на автотрансформаторе против часовое стрелка до отказа.

3.4 Включить установку в сеть и с поводов регулировочной ручки трансформатора установить .

3.5 Установить переключатель S в положение, соответствующее резистору минимальной нагрузки () и с помощью переменного резистора  выставить .

3.6 Получить зависимость  изменяя  от 16 в до 23 в.

3.7 Проделать  пункт 3.6 при других нагрузках: 130 Ом, 240 Ом, 560 Ом.

3.8 При  и  с помощью переменного резистора  выставить ; провести измерения, указанные в п.п. 3.6 и 3.7.

3.9 По результатам измерений построить зависимости  (при ) и рассчитать для каждого случая по формуле (5) коэффициент стабилизация .

                                      (5)

где

3.10 Построить зависимости  (при ), , выходной мощности  и определить выходное сопротивление стабилизатора по формуле:

                                               (6)

Для определения выходного сопротивления необходимо при постоянном входном напряжении (приблизительно 20 В) и  взять два значения выходного напряжения – одно при минимальной нагрузке 110 Ом, другое при максимальной нагрузке 560 Ом, Вычислить ток через нагрузку в первом и во втором случае по формуле

Определить разность выходных напряжений

и токов

.

4 Контрольные вопросы.

4.1 Объясните принцип работы параметрического стабилизатора напряжения?

4.2 Объясните принцип работы однокаскадного компенсационного стабилизатора последовательного типа без усилительного элемента?

4.3 Объясните принцип работы компенсационного стабилизатора последовательного типа с однокаскадным усилителем постоянного тока?

4.4 Как изменится коэффициент стабилизации  компенсационного стабилизатора, если уменьшить коэффициент усиления усилителя, собранного на транзисторе ?

4.5 Как изменится напряжение на выходе компенсационного стабилизатора, если опорное напряжение в стабилизаторе уменьшилось?

4.6 Как изменится коэффициент стабилизации  компенсационного стабилизатора, если сопротивление нагрузки  увеличилось?

4.7 Укажите преимущества полупроводникового стабилитрона перед газоразрядным стабилитроном?

5 Литература

1 Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока (с непрерывным регулированием). М., "Сов. радио", 1980.

2 Рогинский В.Ю. Электропитание радиоустройств. Л., "Энергия" 1970,
стр. 192 – 230.

3 Чикенко И.М., Руденко B.C., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. М., "Высшая школа", 1974, стр. 344 356.

4 Виноградов Ю.В.   Основы электронной и полупроводниковой техники. И., "Энергия", 1972, стр. 468 481.

PAGE  3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6243. Генетика как научный фундамент биотехнологии 93.5 KB
  Генетика как научный фундамент биотехнологии Основы биотехнологии. Задачи биотехнологии. Структура современной биотехнологии Клеточная инженерия: достижения и перспективы Генная инженерия: достижения и перспективы Генетические основы выс...
6244. Рынок капитала, рынок земли 80.5 KB
  Рынок капитала, рынок земли. 1. Понятие капитала и процента. 2. Долгосрочные инвестиции. Анализ эффективности инвестиций. 3. Рынок земельных ресурсов и земельная рента. 4. Прибыль как факторный доход. 1. Капитал - это определенная сумма благ в ...
6245. Язык программирования Паскаль 73.5 KB
  Язык программирования Паскаль План Основные сведения Основные элементы Паскаля Структура программы Организация и описание данных Основные сведения Язык Паскаль является одним из самых распространенных в настоящее время алгори...
6246. Абсолютизация идеализма у Г.В.Ф. Гегеля 102.5 KB
  Абсолютизация идеализма у Г.В.Ф. Гегеля. Вопрос 1 Истоки и основные параметры философской системы Гегеля. Всё действительное разумно, всё разумное действительно (Гегель). Жизнь и труды Гегеля. Немецкий философ Георг Вильгельм Фридрих Гегель (1770-18...
6247. Россия в начале XVII в. Смутное время 83.5 KB
  Россия в начале XVII в. Смутное время Борьба за власть в период правления Федора Ивановича (1584-1598). Борис Годунов (1598-1605). После смерти Ивана IV Грозного царствовать начал его сын Федор Иванович (род. 21 мая 1557). Власть фактически пе...
6248. Фармакопейный анализ кислоты борной и натрия тетрабората, железа сульфата, натрия гидрокарбоната 101 KB
  Фармакопейный анализ кислоты борной и натрия тетрабората, железа сульфата, натрия гидрокарбоната Бор и его соединения В природе бор встречается в виде борной кислоты, которая содержится в воде горячих источников. Соединения бора содержатся также в н...
6249. CD и DVD 104 KB
  CD и DVD Что такое СD? Конструкция диска CD-DA (Compact Disk - Digital Audio, компакт-диск - цифровой звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony и Philips, изданным в 1980 году под названием Red Book...
6250. Генетика популяций. Выполнение закона Харди–Вайнберга в природных популяциях 137.5 KB
  Генетика популяций 1. История понятия популяция. Современное определение популяции. Генетическая структура популяции 2. Закон Харди–Вайнберга - основной закон популяционной генетики 3. Выполнение закона Харди–Вайнберга в природных поп...
6251. От философии Гегеля к марксизму 93.5 KB
  От философии Гегеля к марксизму. Вопрос 1 Философия Л. Фейербаха и К. Маркса: поворот к материализму. Не Бог человека, а человек Бога создал по образу и подобию своему (Л. Фейербах). Философы различным образом объясняли мир, но дело за...