Параметры стабилизатора напряжения

Качество работы всех электронных схем определяется стабильностью напряжения питания активных элементов. Обычно это напряжение получают от сети переменного тока через выпрямители, и на стабильность выходного напряжения влияют колебания входного переменного напряжения, пульсации выпрямленного напряжения, плавные или резкие изменения сопротивления нагрузки, изменения температуры и ряд других факторов.

Задачу стабилизации напряжения питания выполняют стабилизаторы напряжения. Принцип работы параметрического стабилизатора нами также рассмотрен. Его недостаток в том, что он может применятся лишь в маломощных схемах и не всегда обеспечивает необходимую степень стабилизации.

Лучшими характеристиками обладают компенсационныестабилизаторы. Это, по сути, автоматические регуляторы, в которых фактическое выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Получаемый при этом сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора так, чтобы сигнал рассогласования стремился к нулю. Но в этих стабилизаторах в качестве источника опорного напряжения малой мощности используются параметрические стабилизаторы (рис.3).

В данной работе исследуется работа параметрического стабилизатора напряжения, основными параметрами, определяющими качество его работы, являются следующие:

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению, равный отношению относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе при R_Н = const.

(2.12)

Нередко для стабилизатора применяется величина абсолютногокоэффициента стабилизации

(2.13)

Этот коэффициент равноценен коэффициенту сглаживания фильтра, поэтому он применяется для оценки сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

2. Выходное сопротивление стабилизатора, характеризующее изменение выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки, но при ,

(2.14)

Очевидно, что для стабилизатора R_ВЫХ должно быть малым как при медленных изменениях тока нагрузки (статический режим), но, особенно, - в динамическом режиме, при резких изменениях сопротивления и тока нагрузки. Этот режим называется коммутационным, он сопровождается переходными процессами, которые часто связаны с весьма значительными выбросами или провалами выходного напряжения стабилизатора.

3. Дрейф выходного напряжения, вызванный колебаниями температуры и старением элементов схемы. Дрейф измеряется приращением выходного напряжения на единичное изменение соответствующего параметра - температуры и времени:

, (2.15)

 

, (2.16)

где: Т – изменение температуры, τ – промежуток времени работы источника от начала его эксплуатации.

4. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделенной в номинальном режиме на нагрузке, к мощности, потребляемой от источника питания стабилизатора

(2.17)

5. Диапазон допустимого изменения выходных и входных напряжений и токов нагрузки, в пределах которого сохраняется заданная степень стабилизации выходного напряжения

 

; ; (2.18)

 

В схеме стабилизатора (рис.3) обычно задается необходимое выходное напряжение , которое равно напряжению стабилизации стабилитрона , а также пределы изменения сопротивления нагрузки R_Н.min и R_Н.max, либо предельные значения тока нагрузки и . При этих условиях балластное сопротивление в схеме рис.3 определяется с использованием следующих соотношений

; (2.19)

 

Качество стабилизации схемы можно оценить, если учесть дифференциальное сопротивление стабилитрона, шунтирующее сопротивление нагрузки R_Н. Если ток нагрузки постоянен (), то из схемы рис.3 получаем:

 

где

 

Учитывая, что , получим, что . Тогда

 

С учетом полученного соотношения, абсолютный коэффициент стабилизации (2.13), получается:

и (2.20)

Аналогично, при получим выходное сопротивление

(2.21)

 

Ограничители напряжения

В ряде операций преобразования входных сигналов (например, при детектировании частотно – модулированных сигналов) возникает необходимость ограничения этих сигналов по амплитуде. Эта задача решается тоже с помощью полупроводниковых диодов – диодное ограничение. Есть два вида диодного ограничения: последовательное и параллельное. Принцип одностороннего последовательного и параллельного ограничения иллюстрируют схемы рис.6 (а и б). При подаче на вход схемы рис.6, а переменного напряжения диод VD будет открыт пока потенциал катода ниже, чем потенциал анода, равный E₀. При этом через диод протекает ток, сопротивление открытого диода незначительно, и выходное напряжение . Как только достигает уровня E₀, потенциалы катода и анода уравниваются и диод запирается. Ток в цепи прекращается и . Таким образом при любом напряжении на входе ( - напряжение пробоя) в положительной полуволне выходное напряжение не превышает E_0. В отрицательной полуволне входного напряжения потенциал катода всегда меньше потенциала анода, поэтому диод открыт, через резистор R протекает ток и выходное напряжение пропорционально входному (рис.6, в).

В схеме параллельного одностороннего ограничителя (рис.6, б) диод VD включен параллельно нагрузке. На его катоде поддерживается постоянный положительный потенциал E₀, поэтому, пока входное напряжение , диод закрыт и напряжение на выходе повторяет входное напряжение. То же самое происходит и в отрицательной полуволне входного напряжения. Если же положительное входное напряжение превысит уровень E₀, диод открывается и через его малое сопротивление к выходу подключается источник постоянного напряжения E₀. Форма выходного напряжения показана на рис.6, г.

Двустороннее ограничение можно выполнить на двух кремниевых диодах в схеме параллельного ограничения (рис.7, а). Уровни ограничения в этой схеме равны пороговым напряжениям диодов (0,5…0,6 В). Для повышения уровня ограничения можно включить последовательно по два и более диодов в каждом плече. Форма выходного напряжения показана на рис.7, б.

 

Двустороннее ограничение с уровнем ограничения в несколько вольт можно осуществить в параллельном ограничителе с двумя встречно включенными стабилитронами (рис.8, а). При положительной полуволне входного напряжения стабилитрон VD1 открыт и работает на прямой ветви ВАХ, а для VD2 это напряжение обратное. Пока ( - напряжение пробоя стабилитрона) VD2 заперт, ток через него не проходит и напряжение на выходе равно входному. Когда достигнет значения , наступает пробой VD2, ток через него резко возрастает и напряжение на выходе равно напряжению стабилизации . При отрицательной полуволне стабилитроны VD1 и VD2 меняются ролями. Форма выходного напряжения представлена на рис.8,б.

 

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Работа выполняется на стендах, описание которых приведено в работах №№ 1. и 2.

 

4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ (выполняется при домашней подготовке).

 

4.1. Выписать из справочника параметры применяемых в работе диодов и стабилитронов.

4.2. Для параметров схемы диодного выпрямителя вычислить импульсный максимальный ток диода и оценить пригодность диода сравнением с выписанными справочными данными.

4.3. По заданному варианту рассчитать параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне (выбрать тип стабилитрона и вычислить ). Параметры источника напряжения и нагрузки стабилизатора приведены в таблице 1 по вариантам.

 

Таблица1: Варианты заданий

Номер варианта	Диапазон изменения входного напряжения , В	Выходное напряжение стабилизатора , В	Диапазон изменения сопротивления нагрузки , кОм
	15 - 20		- 4,5
	17 - 25		- 4,5
	16 - 22		- 0,5
	19 - 25		- 0,5
	38 - 45		- 2,5
	53 - 57		- 3,0

 

4.1. По указанным в задании параметрам схем одностороннего и двухсторонних ограничителей напряжений рассчитать максимально допустимое входное напряжение, используя справочные данные диодов и стабилитронов.

 

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

5.1. Собрать схему рис.9. Установить на выходе генератора G напряжение U_Гm=3- 4В;ƒ_Г =1000Гц. Подключить оба входа осциллографа к выходу генератора и отрегулировать оба канала (установить одинаковую чувствительность). Переключить второй канал осциллографа на выход.

 

 

 

 

5.2. Зарисовать осциллограммы U_Г и U_Н, отметить на графиках амплитуды напряжений. Измерьте с помощью осциллографа амплитуду импульса напряжения Uн_m,пользуясь методикой описанной в п.6.2.

5.3.Подключить параллельно нагрузке R_Н фильтрующую емкость мкФ. Добавить в схему резистор R1=22 Ом для измерения тока (рис.10). Напряжение генератора оставить прежним.

5.4. Зарисовать осциллограммы U_Г ,U_Н, i_Н (ток i_Н находить по падению напряжения на R1: ). Измерить с помощью осциллографа и записать амплитуду выпрямленного тока I_Нm.=Uн_m/(Rн+R1) Методика измерения описана в п.6.2.

 

5.5 Собрать схему рис.11 и снять обратную ветвь вольт – амперной характеристики стабилитрона. Результаты измерений занести в таблицу 2. Диапазон изменения входного напряжения ограничивается максимально допустимым обратным током стабилитрона.

5.6. Собрать схему рис.12 и снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона. Результаты вносятся в таблицу 3. Значения прямого тока изменяются в пределах от 0 до15…20мА.

 

Таблица 2

UВХ,,В

IСТ,m А

UСТ, В

 

 

Таблица 3

UПР,В

IПР,m А

 

5.7. Собрать схему стабилизатора напряжения рис.13 и снять передаточную характеристику стабилизатора U_вых =ƒ(U_вх) при Rн= 4,7 кОм. Результаты внести в таблицу 4.

 

 

Таблица 4

UВХ,В

Uвых,В

 

5.8. Собрать схему одностороннего ограничителя рис.14. Установить значение E₂ = 2 В и снять передаточную характеристику ограничителя при изменениях U_ВХ от 0 до +10 В. Данные занести в таблицу 5.

 

 

 

Таблица 5

UВХ,В

Uвых,В

 

5.9. Подключить ко входу (вместо E₁) генератор синусоидальных сигналов и установить на нем напряжение 5 В и частоту1000 Гц. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения. Повторить эту же операцию при E₂ = 0.

5.10. Собрать схему двустороннего ограничителя на диодах рис.15. Снять передаточную характеристику, изменяя входное напряжение в пределах ±5 В. Данные занести в таблицу, аналогичную таблице 5. Подключить ко входу генератор синусоидальных сигналов и зарисовать осциллограммы выходного напряжения при U_ВХm =0,3 В; 1В; 2В. Частота сигнала 1000Гц.

 

 

5.11. Собрать схему двустороннего ограничителя на стабилитронах КС 133 А. (рис.16). Подать на вход напряжение генератора синусоидальных сигналов частотой 1000 Гц. Один вход осциллографа подключить к выходу генератора, а второй вход – к выходным зажимам ограничителя. Плавно изменяя амплитуду входного сигнала от 0,5 В до 5 В, следить за изменением формы выходного сигнала. Отметить и записать амплитуду входного сигнала, при которой начинается ограничение амплитуды выходного напряжения. Сравнить это значение с параметрами стабилитрона. Зарисовать осциллограммы выходного напряжения при амплитудах входного сигнала U_ВХm = 2 В; 5В.

 

6. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

6.1. Осциллограммы напряжений зарисовывать на бумаге в клетку или миллиметровой бумаге, сопоставляя координатную сетку осциллографа сетке на бумаге.

6.2. Измерение амплитуды выпрямленного напряжения с помощью осциллографа выполняется после его предварительной калибровки. Для калибровки подберите переключателем чувствительности осциллографа удобный для наблюдения и отсчета размер исследуемого сигналаU_н .Не изменяя чувствительности подайте вместо исследуемого сигнала синусоидальный сигнал с генератора и изменением его величины добейтесь такого же размера полуволны синусоиды,как и у исследуемого сигнала. Измерьте вольтметром в режиме измерения параметров переменного тока напряжение на выходе генератора. Учитывая, что приборы показывают действующее значение напряжения, рассчитайте его амплитудное значение. Полученная величина и будет амплитудным значением напряжения на R_н. U_нm. При измерении U_нm в п.5.4. сначала отключите вход осциллографа, на который подано напряжение U_н. Горизонтальную линию луча совместите с горизонтальной осью координатной сетки осциллографа. Подайте на вход напряжениеU_н и, не трогая больше ручку перемещения по вертикальной оси, отметьте положение максимума кривой напряжения. Она и будет соответствовать значению U_нm,которое определите выше описанным способом.

6.3.Обратную и прямую ветви ВАХ стабилитрона удобнее снимать, установив сначала входное напряжение, соответствующее максимальному обратному или прямому току. Затем, понижая напряжение снять зависимость тока от входного напряжения. Количество точек должно быть достаточным для построения всех характерных участков ВАХ.

6.4. По осциллограммам п.5.2. и 5.4. определить графически среднее значение выпрямленного напряжения U_{н ср} и вычислить отношения U_н._ср./U_н.m для каждого пункта. Для определения среднего значения U_н._ср. по осциллограмме следует сначала вычислить площадь одного импульса напряжения и построить прямоугольник такой же площади с основанием, равным одному периоду по оси времени. Высота этого прямоугольника и будет значениемU_н.ср., отсчитанным по оси напряжения.

6.5. По графику обратной ветви ВАХ определить величину I_ст.min и соответствующее ему значение напряжения пробоя U_ПР, напряжение стабилизации , соответствующее номинальному току стабилизации , выписанному из справочника. Сравнить полученное значение с приведенным в справочнике. При вычислить дифференциальное сопротивление стабилитрона .

6.6. Используя график ВАХ стабилитрона построить передаточную характеристику стабилизатора напряжения (рис.13) при R_Н = и рассчитать величину абсолютного коэффициента стабилизации в точке .

6.7 По передаточной характеристике стабилизатора при R_Н = 4,7 кОм (п.5.7) определить значение абсолютного коэффициента стабилизации при . Сравнить значения , полученные в п.п. 6.6. и 6.7. и объяснить причину их отличия.

6.8. По формуле (2.12) вычислить коэффициент стабилизации по входному напряжению для R_Н = и R_Н = 4,7 кОм. Сравнить полученные значения.

6.9. Проанализировать и объяснить результаты, полученные при исследовании ограничителей напряжения. По данным, полученным в п.п. 5.8 и 5.10, предварительно построить графики зависимостей .

 

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

7.1. Справочные данные используемых диодов и стабилитронов.

7.2. Результаты расчетов по п.п. 4.2. – 4.4.

7.3. Таблицы экспериментальных данных и графики.

7.4. Осциллограммы напряжений и токов.

7.5. Анализ полученных результатов.

7.6. Выводы по работе.

 

1. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Объясните физическую природу односторонней проводимости полупроводникового диода.

2. Перечислите и объясните физическую суть различных видов пробоя p – n перехода.

3. Какие из перечисленных видов пробоя используются в стабилитронах?

4. Как зависит напряжение пробоя от температуры для различных видов пробоя?

5. Как влияет степень легирования базы диода на напряжение стабилизации?

6. Какие полупроводниковые материалы используются в стабилитронах и почему?

7. Перечислите и объясните основные параметры стабилитрона?

8. Какие параметры используются для оценки качества стабилизатора?

9. Поясните принцип работы параметрического стабилизатора напряжения. Нарисуйте его схему.

10. Как определяется величина балластного сопротивления ?

11. Какие элементы могут выполнять роль фильтров в выпрямителях напряжения?

12. Объясните фильтрующую роль конденсатора в схеме выпрямителя.

13. Поясните принцип работы одностороннего ограничителя напряжения.

14. Как работает двусторонний ограничитель на диодах? Как можно изменять уровень ограничения?

15. Объясните принцип работы двустороннего ограничителя напряжения на стабилитронах. Как можно изменять уровень ограничения в нем?

 

 

9. ЛИТЕРАТУРА

 

[1], [2], [3], [6], [9], [16], [17].

 

 

Лабораторная работа N4