Лабораторна робота №12 Дослідження компенсаційних стабілізаторів напруги

Мета роботи: вивчення принципу дії послідовних неперервних компенсаційних стабілізаторів напруги; придбання навичок дослідження параметрів стабілізаторів напруги.

1. Стислі теоретичні відомості

Джерела вторинного електроживлення радіоелектронної апаратури у своєму складі містять різні стабілізатори напруги чи струму. До стабілізаторів напруги (струму) відносяться пристрої, що підтримують автоматично і з необхідною точністю напругу (струм) на навантаженні при зміні дестабілізуючих факторів в обумовлених межах. Основними параметрами, що характеризують стабілізатор, є: коефіцієнт стабілізації по напрузі чи струму, вихідний опір і коефіцієнт корисної дії. Можуть також використовуватися і допоміжні, такі як масогабаритні, вартісні й інші показники. Існує два принципово різних методи стабілізації: параметричний і компенсаційний.

Параметричним називають стабілізатори з нелінійними елементами (стабілітрони, дроселі і т.д.), у яких відсутнє коло зворотного зв'язку. Принцип дії їх заснований на зміні опору (чи інших параметрів) нелінійного елемента при зміні прикладеної до нього напруги.

Компенсаційними називають стабілізатори, у яких стабілізація здійснюється за рахунок впливу зміни вихідної величини на регулюючий пристрій через коло зворотного зв'язку. Компенсаційні стабілізатори поділяються на неперервні й імпульсні. У свою чергу неперервні стабілізатори можуть бути послідовного чи паралельного типу по способу включення регулюючого елемента стосовно навантаження.

У даній роботі досліджуються неперервні послідовні стабілізатори напруги. Значення вихідної напруги стабілізатора залежить як від величини вхідної напруги , так і від струму навантаження , де . Тому прийнято оцінювати якість стабілізації напруги за коефіцієнтом нестабільності , рівному відношенню відносної зміни вихідної напруги до його відносної зміни, що викликала, вхідну

напругу і вихідний струм І вх.

,

де , при

який уявляє собой інтегральний (усереднений) коефіцієнт стабілізації напруги по вхідній напрузі:

при

де - внутрішній (вихідний) опір стабілізатора; Rн - номінальне значення опору навантаження.

При цьому сумарна нестабільність вихідної напруги стабілізатора визначається також часовим дрейфом і температурною нестабільністю, викликаної зміною температури навколишнього середовища. Під дрейфом вихідної напруги розуміють найбільшу зміну напруги стабілізатора в плині заданого часу, що випливає за його розігрівом і при незмінних дестабілізуючих факторах.

Коефіцієнт корисної дії стабілізатора визначається відношенням потужності, що виділяється в навантаженні, до номінального значення вхідної потужності:

Н айпростіша схема стабілізатора послідовного типу без підсилювального елемента представлена на рис. 8.1,а. Вихідна напруга даного стабілізатора являє собою різницю між опорним і напругою транзистора:

Режим роботи транзистора вибирають таким, щоб при відсутності дестабілізуючих факторів він був би не цілком відкритий напругою зміщення база-емітер, що звичайно складає 0.1...0.3 В.

Якщо якимсь образом зменшилося, то з огляду на те, що U_ст=const і транзистор включений як емітерний повторювач, то зменшення напруги на опорі навантаження рівносильне збільшенню напруги база-емітер, що призводить до зменшення опору і спадання напруги на транзисторі в ре-зультаті чого величина вихідної напруги відновлюється. Аналогічно працює схема і при підвищенні вихідної напруги. Величина максимального струму

навантаження стабілізатора залежить від коефіцієнта підсилення транзистора і максимально припустимої зміни робочого струму стабілітрона :

Тому для збільшення припустимого струму навантаження варто використовувати схеми зі складеними транзисторами. При цьому розрахункова величина:

а коефіцієнт передачі струму:

Вихідний опір даного стабілізатора визначається вираженням:

де - опір емітера транзистора;

- диференціальний опір стабілітрона;

- опір, включений між колектором і базою допоміжного транзистора;

Опір знаходять по формулі:

де I_ст ,I_б – відповідно значення струму стабілітрона і струму бази. Коефіцієнт корисної дії стабілізатора:

Коефіцієнт стабілізації по напрузі:

;

де - опір колектора і бази регулюючого транзистора.

Аналіз показує, що коефіцієнт стабілізації найпростішого транзисторного стабілізатора має величину такого ж порядку, що і параметричний стабілізатор із кремнієвим стабілітроном.

Для збільшення коефіцієнта стабілізації використовуються більш складні схеми з посиленням у колі зворотного зв'язку. У схемі, представленої на рис. 8.1,б, транзистор VТ3 є одночасно порівнювальним і підсилювальним елементом, а VТ1, VТ2 - складений регулюючий транзистор. Напруга між емітером і базою VТЗ дорівнює:

.

Коефіцієнт стабілізації при цьому:

Вихідний опір стабілізатора:

де ,

де К_д- коефіцієнт розподілу сигналу зворотного зв'язку; - коефіцієнт підсилення по напрузі транзистора VТЗ. Величина приблизно визначається виразом:

де - коефіцієнт підсилення по струму транзистора VТЗ;

- вхідний опір транзистора VТЗ.

Таким чином, величина коефіцієнта підсилення транзистора VТЗ, включеного в коло зворотного зв'язку, визначає і стабілізатора. Тому для збільшення і зменшення стабілізатора використовують схеми, у яких як підсилювачі зворотного зв'язку використовуються операційні підсилювачі. Схема такого стабілізатора представлена на рис. 8.1, в. У даній схемі опорна напруга формується на стабілітроні VD1 за рахунок чого підвищується якість стабілізації.

Останнім часом велике поширення одержали стабілізатори напруги в інтегральному виконанні. При цьому для збільшення навантажувальної здатності часто малопотужні інтегральні стабілізатори використовують для керування потужним регулюючім елементом. Приклад такої схеми стабілізатора представлений на рис. 8.1,г.