Исследование стабилизаторов напряжения

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное исследование построения стабилизаторов напряжения

ЗАДАНИЕ

2.1. Изучить принцип работы параметрического и компенсационного стабилизаторов.

2.2. Снять и построить характеристики стабилизаторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При эксплуатации полупроводниковых устройств систем автоматики, измерительных приборов, вычислительной техники и бытовой электроники широкое распространение получили транзисторные стабилизаторы напряжения. Они предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки. Одновременно стабилизаторы обеспечивают снижение пульсации напряжения на выходе выпрямителя.

Стабилизаторы разделяются на параметрические и компенсационные. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения изображена на рис. 5.1.

Рис. 5.1

Стабилитрон VD в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору R_Н. Для ограничения тока через стабилитрон включают балластный резистор R_Б. Напряжение на выходе стабилизатора

U_ВЫХ=U_ВХ – R_БI.

При увеличении напряжения U_ВХ, например из-за повышения напряжения сети, увеличится ток I, однако из-за свойств стабилитрона напряжение на нем останется практически неизменным. Соответственно, и напряжение на резисторе R_Н (напряжение U_ВЫХ) тоже не изменится.

Чаще всего применяются компенсационные стабилизаторы с последовательным включением регулирующего транзистора. Схема источника питания со стабилизированным выходным напряжением, приведенная на рис. 5.2, содержит:

регулирующий проходной транзистор VT1;

усилительный транзистор VT2;

кремниевый стабилитрон VD, являющийся источником опорного напряжения.

делитель напряжения, содержащий постоянные резисторы , и потенциометр , обеспечивающий возможность регулировки выходного напряжения.

Рис. 5.2

Выходное напряжение стабилизатора .

Принцип действия стабилизатора заключается в том, что изменение выходного напряжения по любой причине автоматически компенсируется изменением падения напряжения на транзисторе VT1. Транзистор VT2 работает в режиме усилителя постоянного тока и увеличивает разность между измеряемым напряжением (напряжение между движком потенциометра и общей шиной) и напряжением стабилизации стабилитрона . Действительно, . Напряжение на стабилитроне постоянно, поэтому при изменении напряжения на выходе, например при его увеличении, увеличивается напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2. Это приводит к увеличению тока базы и тока его коллектора, так как .

Ток базы регулирующего транзистора и ток коллектора усилительного транзистора связаны очевидным соотношением , поэтому увеличение тока приводит к уменьшению тока . Транзистор VT1, работающий в линейном режиме, увеличивает своё сопротивление – падение напряжения на нём возрастает, а напряжение на выходе возвращается к прежнему уровню в пределах ошибки стабилизации. Уровень стабилизированного напряжения на выходе можно регулировать, перемещая движок потенциометра

, (где – коэффициент деления делителя).

Конденсатор обеспечивает напряжение питания нагрузки при быстрых изменениях ее тока. Конденсатор обеспечивает гибкую отрицательную обратную связь и служит для устранения автоколебаний в системе. Резистор обеспечивает нормальный режим стабилизации стабилитрона VD. Качество стабилизации напряжения характеризуется двумя параметрами:

Коэффициент стабилизации К_СТ показывает в относительных единицах во сколько раз колебание выходного напряжения меньше колебаний входного напряжения при постоянном сопротивлении нагрузки:

при

Выходное сопротивление R_ВЫХ стабилизатора показывает, как изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. Знак «минус» учитывает, что при увеличении тока нагрузки напряжение уменьшается.

, при .

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Запустить программу MultiSym. Загрузить схему исследования

<ЛР№5 1.msm> . Появится схема, показанная на рис. 5.3.

4.2. Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу окна .

4.3. Изменяя напряжение источника питания, снять зависимость изменения напряжения на нагрузке от изменения входного напряжения U_Н=f(U_ВХ).

4.4. Изменить сопротивление нагрузки (уменьшить его в два раза) и снять зависимость изменения напряжения на нагрузке от изменения тока нагрузки U_Н=f(I_Н) при входном напряжении 15 В.

4.5. По данным измерений построить графики характеристик стабилизатора U_Н=f(U_ВХ) и U_Н=f(I_Н)

4.6. По характеристикам стабилизатора напряжения определить графоаналитическим методом коэффициент передачи напряжения К_П = (U_Н/U_ВХ) и коэффициент стабилизации К_СТ = (D U_ВХ/D U_Н) К_П

4.7. Загрузить схему исследования источника питания постоянного тока с компенсационным стабилизатором <ЛР№5 2.msm>, показанную на рис. 5.4.

4.8. Снять внешнюю характеристику стабилизатора U_вых=f(I_н).

4.9. Снять зависимость U_вых=f(U_вх).

4.10. Вычислить значения R_вых и К_ст.

Рис. 5.3

Рис. 5.4

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Какую роль играет стабилитрон в схеме стабилизатора?

2. Объясните принцип работы параметрического и компенсационного стабилизатора.

3. Как будет изменяться напряжение на выходе компенсационного стабилизатора, если перемещать движок потенциометра R_п вниз (рис. 5.2)?

4. Каково назначение транзистора VT2?

5. Как можно добиться меньшего угла наклона внешней характеристики источника питания?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6