Методические указания по выполнению работы

Исследование работы стабилизатора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и его характеристик по заданным входным

И выходным сигналам.

Цель работы -изучение схемы стабилизатора напряжения (СН), принципа её работы и практическая проверка зависимости выходного стабилизированного напряжения от изменения входного напряжения в заданных пределах и разных сопротивлениях на нагрузке.

Теория: Стабилизаторы напряжения -это вторичные источники питания (ВИП), обеспечивающие заданную стабильность выходного напряжения, питающего различные радиоэлектронные устройства. Основные параметры стабилизаторов – коэффициент стабилизации Кст. и выходное сопротивление – R нагр.

Учитывая то, что на выходных шинах любых типов выпрямителей переменного сигнала имеются пульсации выпрямленного напряжения, которые при возникновении несанкционированных просадок или перепадов напряжения промышленной сети суммируются с ними, усиливаются и могут превысить допустимое напряжение работы радиотехнических систем и электротехнических изделий, и как следствие, вывести их из строя. Ряду электротехнических приборов, блоков, систем для нормальной их работы требуется строго стабильное напряжение питания. Чтобы избежать этой ситуации широко применяются различные стабилизаторы напряжения (СН) автоматически поддерживающие напряжение на нагрузке строго постоянным (с определённым допуском).

Обычно стабилизатор, применяемый для стабилизации выходного напряжения, представляет собой переменное сопротивление, величина которого может автоматически изменяться в больших пределах.

В зависимости от способа включения такие стабилизаторы делятся на последовательные и параллельные.

Принцип действия последовательного стабилизатора объясним на простейшей схеме изображенной на рис. 2. На этой схеме стабилизатор напряжения условно изображён в виде переменного сопротивления Rст, включённого последовательно с полезной нагрузкой Rн. Сопротивления Rст. и Rн образуют делитель напряжения. К нему подводится всё напряжение выпрямителя. Из схемы видно, что напряжение на нагрузке равно

Uн = Uв – Ucт = Uв – Icт · Rст

или Uн = Rн · Uв /Rн + Rст = 1/ 1+Rcт/Rн · Uв

Работа стабилизатора напряжения сводится к следующему.

Если сопротивление нагрузки Rн неизменно, но повышается напряжение Uв, то автоматически увеличивается сопротивление стабилизатора Rcт и величина тока протекающего через нагрузку, остаётся неизменной. Поэтому и напряжение на нагрузке Uн не изменяется.

При понижении напряжения Uв автоматически уменьшается Rст и напряжение на нагрузке остаётся постоянным.

Схема исследования, необходимые приборы для измеренияприведены на рис.1. здесь Е-источник постоянного выпрямленного напряжения типа Б5-8 со встроенным регулятором напряжения R1, миллиамперметр можно выбрать любой со шкалой до 1000 µА

µА

I₁ R1

СН

СН

U Е=Е=23÷34В 27 В±0,81В Rн

V₁

Рис.1

стабилизатор

U ст Uогр

+ – а

I + + + R +

Iст

Icт Rcт Iн R огр I Iст Uн

Uв Rн U н Uв Rст Rн

- – – Iв=Iн+Iст –

б

Рис.2 Рис.3 Стабилизатор.

Если же Uв постоянно, а сопротивление нагрузки Rн изменяется, то одновременно изменяется и сопротивление стабилизатора Rст, так что отношение Rст/Rн остаётся постоянным. Ввиду этого и напряжение на нагрузке Uн не меняется.

Принцип действия параллельного стабилизатора напряжения объясним при помощи схемы, изображённой на рис.3. Здесь стабилизатор напряжения включен параллельно сопротивлению нагорузки. Дополнительный и обязательный элемент такого стабилизатора – ограничительное сопротивление Rогр, через которое проходит ток нагрузки Iн и ток стабилизатора Iст. Стабилизатор представляет собой делитель напряжения. Напряжение на его нагрузке Uн = Uв – Uогр = Uв – (Iн + Iст)Rогр или

Uн = Rоб/Rоб +Rогр •Uв = 1/1+Rогр/Rоб •Uв, где

Rоб = Rст + Rн/Rст +Rн.

Работает стабилизатор следующим образом. Если сопротивление нагрузки Rн неизменно, но увеличивается напряжение Uв, то автоматически уменьшается сопротивление стабилизатора Rст. Это приводит к уменьшению сопротивления Rоб. Таким образом, возрастание напряжения Uв сопровождается увеличением отношения Rогр/Rоб и напряжение на нагрузке Uн остаётся постоянным.

При понижении напряжения Uв уменьшается отношение Rогр/Rоб и напряжение на нагрузке не меняется.

Если же напряжение Uв постоянно, но изменяется сопротивление нагрузки Rн, то одновременно меняется и сопротивление стабилизатора Rст, а сопротивление Rоб остаётся постоянным. Ввиду этого напряжение напряжение на нагрузке Uн также не меняется.

При объяснении принципа работы стабилизаторов считалось, что вследствие изменения сопротивления стабилизатора Rст напряжение на нагрузке всегда остаётся стабильным. На самом деле это не совсем так. На практике изменение напряжения Uв (или сопротивления Rн) неизбежно сопровождается изменением напряжения на нагрузке. Однако эти изменения бывают очень незначительными при значительных изменениях напряжения Uв или сопротивления Rн.

Зависимость напряжения Uн от величин Uв и Rн представлена на рис.4. и 5. Из этих рисунков видно, что при изменении Uв или Rн в определённых пределах напряжение Uн изменяется незначительно.

Uн Uн

Рабочий участок

характеристики Рабочий участок

ΔUн характеристики

ΔUв ΔUв Δ

Uн норм

Uв Rн

Uв мин Uв норм Uв макс Rн мин Rн норм Rн макс

Рис. 4 Зависимость напряжения Uн от Рис. 5 Зависимость напряжения Uн от

напряжения на входе стабилизатора Uв величины сопротивления Rн

Качество работы стабилизатора напряжения оценивается коэффициентом стабилизации Кст под которым понимается отношение изменения напряжения на нагрузке к вызвавшему его изменению напряжения на входе стабилизатора. Так, если напряжение на входе стабилизатора возросло на

20 В, а на нагрузке только на 1В, то коэффициент стабилизации

Кст =1/20=0,05 = 5 %. Это означает, что колебания напряжения на нагрузке в данном случае составляют только 5% колебаний напряжения на входе стабилизатора.

В общем виде выражение для коэффициента стабилизации можно записать следующим образом:

Кст % = ΔUн/∆Uв•100, (0,81/11•100 =)

Где ∆Uв –изменение напряжения на входе стабилизатора;

∆Uн - изменение напряжения на нагрузке.

Задание по работе

1. Имеется стабилизатор напряжения (СН), выполненный на логических интегральных схемах со следующими характеристиками:

– входное постоянное напряжение Uвх = 23÷34 В;

– выходное напряжение стабилизированное Uвых= 27 В ± 3% (27±0,81 В);

– Р нагр. = 15 Вт.

Требуется:

а) Проверить с помощью имеющихся измерительных приборов и источников постоянного напряжения питания работу СН на Rнагр. = ∞ (ХХ);

б) рассчитать ток в цепи нагрузки – I нагр.;

в) рассчитать Rнагр. для расчётного в предыдущем пункте I нагр.

г) проверить характеристики СН при работе под нагрузкой рассчитанной в п.в.;

д) рассчитать коэффициент стабилизации;

е) проверить допуск (разброс стабилизированного напряжения) при работе на рассчитанную нагрузку, изменяя входное напряжение в заданных пределах;

ж) результаты измерений и расчетов записать в виде таблицы:

з) Составить краткие выводы по работе.

Табл. 1

U вх. (ΔUвх=11В)	U вых. Измеренное при Rнагр.=60 Ω	U вых. Измеренное при Rнагр.= ∞ Ω	U вых. допустимое	К ст. рассчётн
23 в			27 ±0,81 В
24 в			27 ±0,81 В
25 в			27 ±0,81 В
26 в			27 ±0,81 В
27 в			27 ±0,81 В
28 в			27 ±0,81 В
29 в			27 ±0,81 В
30 в			27 ±0,81 В
31 в			27 ±0,81 В
32 в			27 ±0,81 В
33 в			27 ±0,81 В
34в			27 ±0,81 В

Методические указания по выполнению работы.

Соберите схему согласно Рис. 1. Для этого:

1. Из имеющегося арсенала измерительных приборов выберите источник постоянного напряжения на 23- 34 В с Iн = 0,5 А не менее.

2. Подсоедините стабилизатор напряжения (СН) к клеммам источника напряжения.

3. Перед включением источника питания ручку регулировка напряжения выведите до упора влево. Включив источник напряжения тумблером, при этом загорается лампочка сигнализирующая о включении источника. Плавно увеличивайте напряжение источника до напряжения 23В (при этом Rн = ∞) ручкой (потенциометром). Снимите при этом показания напряжения на нагрузке. Оно не должно превышать 27В ± 0,81 В.

4. Повторите п.3 для напряжения 24В, 25В ….до 34В в соответствии с табл.1.

5. Выключите источник питания.

6. Подключите Rн, рассчитанной в п. 1в и повторите п.п. 3, 4 для расчетной нагрузки.

7. Результаты измерений запишите в таблицу.

.