6.4.4 Обработка результатов измерений

Амплитудное значение выходного сигнала изменяется, изменяются амплитуды гармоник. Для анализа следует пронормировать амплитуды гармоник для разных режимов измерений. Для этого амплитуды всех гармоник одного режима поделить на значение амплитуды первой – основной гармоники. В результате амплитуда первой гармоники для всех измерений окажется равной единице. Результаты вычислений также внести в таблицу 6.

Построить график разложения в ряд Фурье функций U_ВЫХ, как было представлено в окне Analysis Graphs. При построении использовать относительные величины амплитуд гармоник для четырех опытов. Четыре гармоники одной частоты изобразить разным цветом.

6.5. Подготовить отчёт по работе

Содержание отчета указано в пункте 4.

Практическая работа 3

ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНОГО ДИОДА - СТАБИЛИТРОНА

1. Цель работы:

Изучить работу стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения.

2. Литература:

2.1. Лачин В. И. Электроника: учеб. пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савёлов.

- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс" 2007.

3. Задание:

3.1. Изучить приложение к данной работе.

3.2. Произвести расчет параметров параметрического стабилизатора напряжения.

3.3. Изучить схемы стабилизатора по материалу, представленному в приложении.

3.4. Ответить на контрольные вопросы.

3.5. Составить отчет по работе.

4. Содержание отчета:

4.1. Наименование и номер работы.

4.2. Цель работы.

4.3. Расчетные формулы, расчетные схемы включения стабилитрона.

4.4. Ответы на контрольные вопросы.

5. Контрольные вопросы:

5.1. В чем состоит суть применения стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения.

5.2. Какие свойства стабилитрона используются при построении стабилизаторов.

5.3. Какими факторами ограничивается ток через стабилитрон.

5.4. В каких схемах кроме стабилизатора применяется стабилитрон.

5.5. Как обозначается на принципиальных схемах стабилитрон.

5.6. Основные параметры стабилитрона.

6. Приложение:

6.1 Специальные диоды - стабилитроны

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т. д.

При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока рисунок 8. Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в p-n-переходе (электрический пробой может быть туннельным или лавинным), либо в результате разогрева перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (тепловой пробой). Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым. Напряжение пробоя зависит от типа диода и температуры окружающей среды.

Для стабилитронов рабочим является участок пробоя ВАХ в области обратных напряжений (рисунок 8). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при изменении обратного тока диода.

Стабилитрон характеризуется:

– напряжение стабилизации U_СТ – напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации);

– минимальный ток стабилизации I_{СТ min} – наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив;

– максимально допустимый ток стабилизации I_{СТ max} – наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы;

– дифференциальное сопротивление

r_СТ – отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации r_СТ = ∆U_СТ/∆I_СТ;

– максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_mах = U_СТ∙I_{СТ max}.

Кпараметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой токI_max, максимально допустимый импульсный ток I_{пр.и mах}.

6.2 Обозначение стабилитрона на принципиальных схемах показано на рисунке 9.

Если к аноду приложено положительное напряжение, а к катоду - отрицательное, то диод включен в прямом направлении и открыт. На диоде выделяется напряжение U_ПР и течет ток I_ПР = I_Д.

Если к аноду приложено отрицательное напряжение, то диод включен в обратном направлении и закрыт, если U_ОБР < U_СТ. В цепи течет обратный ток насыщения. Если приложенное обратное напряжение больше напряжения стабилизации, то стабилитрон открывается, его сопротивление уменьшается до единиц Ом и в цепи потечет ток I_СТ.

6.3 В параметрическом стабилизаторе используется свойство вольт-амперной характеристики стабилитрона, имеющей участок с малоизменяющимся напряжением в довольно широком интервале изменения токов (рисунок 8). При включении такого прибора параллельно нагрузке и наличии ограничивающего ток сопротивления R₀ изменения входного напряжения вызывают изменения тока стабилитрона, но не тока нагрузки. При изменении тока нагрузки I_Н происходит перераспределение тока между нагрузкой и стабилитроном. В обоих случаях напряжение на стабилитроне остается неизменным.

Стабилизатор как источник питания характеризуется основными параметрами.

1. Коэффициент стабилизации

К_СТ = (ΔЕ_П/Е_П)·(U_СТ/ΔU_СТ) (4)

Для параметрического стабилизатора К_СТ = (U_СТ/Е_П)·(R₀/r_Д). (5)

Здесь U_СТ = U_Н = U_ВЫХ, Е_П – напряжение питания на входе стабилизатора, ΔЕ_П - изменение входного напряжения, ΔU_СТ – изменение напряжения стабилизации, вызванное изменением напряжения ΔЕ_П, r_Д - дифференциальное сопротивление диода-стабилитрона.

2.Выходное сопротивление

R_ВЫХ = ΔU_СТ/ΔI_Н. (6)

Для параметрического стабилизатора R_ВЫХ = R₀//r_Д - параллельное соединение сопротивлений R₀ и r_Д.

3. Коэффициент температурной нестабильности ТКН

ТКН = (ΔU_ВЫХ/U_ВЫХ)·(1/Δt) 100% [%/град], (7) Δt – изменение температуры.

4. Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД = η = Р_Н/Р_ВХ = (U_Н·I_Н)/(Е_П·I_ВХ). (8)

4. Пример расчета

Для стабилизации напряжения на нагрузке (рисунок 10) используется стабилитрон, напряжение стабилизации которого U_СТ = 7.5 В.

Справочные данные стабилитронов приведены в таблице 7.

Таблица 7. Исходные данные для проведения расчета.

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
R0, кОм	0.1	0.2	0.3	0.2	0.4	0.25	0.3	0.15	0.1	0.2	0.3	0.2
UСТ В	5.6	8.2	9.1	6.2	6.8	6.2	9.1	6.8	7.5	8.2	8.2	7.5
RН, Ом	40	60	70	50	30	40	60	40	50	70	60	50
∆t0C	50	60	40	50	60	40	30	40	50	60	40	50
rД Ом	0.02	0.04	0.05	0.03	0.02	0.02	0.04	0.02	0.03	0.04	0.03	0.03
Pдоп Вт	2.4	4.2	5.4	3.6	3.6	3.6	5.4	3.6	4.2	4.2	4.2	4.2
ТКН	0.03	0.04	0.05	0.04	0.04	0.04	0.05	0.04	0.04	0.05	0.05	0.04
Imin мA	5	6	7	4	4	4	7	4	7	8	8	7
Тип стаби-литро-на	BZV49-С5V6	BZV49-C8V2	BZV49-С9V1	BZV49-C6V2	BZV49-C6V8	BZV55-C6V2	BZV55-C9V1	BZV55-C6V8	BZV55-C7V5	BZV49-C8V2	BZV55-C8V2	BZV49-C7V5

Температурный коэффициент напряжения ТКН в таблице указан в [ %/^оС].

Максимальный ток для приведенных стабилитронов I_max составляет 0.6 Ампера.

R₀ =200 Ом

I_ВХ

+ Е_П

R_H = 50 Ом

D

I_CT

I_H

U_H = U_CT =7.5 В

Рис. 10. Расчетная схема параметрического стабилизатора

Определить допустимые пределы изменения питающего напряжения Е_П, если максимальный ток стабилитрона I_{СТ mах} = 0.6 А, минимальный ток стабилитрона I_{СТ min} = 7 мА, сопротивление нагрузки R_Н = 50 Ом и сопротивление ограничительного резистора R₀ = 0.2 кОм.

Решение.

Напряжение источника питания

Е_П = U_СТ + R₀(I_Н + I_СТ).

Ток нагрузки I_Н = U_СТ / R_Н = 7.5/50 = 150 мА.

Таким образом, Е_П = U_СТ (1 + R₀/R_Н) + R₀I_СТ.

Подставляя в эту формулу минимальное и максимальное значение тока через стабилитрон, получим

Е_Пmin = 7.5·(1+4)+200·0,007 = 38.9 В, Е_Пmax = 7.5·(1 + 4) + 200·0,6 = 157.5 В.

Определим коэффициент стабилизации для среднего значения Е_П.

Среднее значение Е_П ≈ 100 В, для данного типа стабилитрона r_д = 0.03 Ом. К_СТ = (U_СТ/Е_Пср)·(R₀/r_д).

К_СТ = (7.5/100)·(200/0.03) ≈ 500.

Оценим влияние температуры на напряжение стабилизации, если температурный коэффициент напряжения стабилитрона (ТКН) составляет 0.04 [%/^оС], а температура изменяется на 50^оС.

[%] = 0.04·50^оС = 2.5%. Напряжение U_СТ = 7.5 В изменяется на 2.5 %, что составляет 0.18 В.

Проверить, не превышает ли мощность рассеяния на диоде допустимую при максимальном токе стабилизации Р_Д = U_СТ·I_{СТ max}.

Вычислить КПД стабилизатора для среднего значения напряжения питания

КПД = η = Р_Н/Р_ВХ = (U_Н·I_Н)/(Е_Пср·I_ВХ).

Мощность, выделяющаяся в нагрузке Р_Н = (U_Н·I_Н) = 7.5(7.5/50) = 1.12 Вт.

Мощность, отнимаемая от источника (Е_Пср·I_ВХ).

I_ВХ = (Е_Пср – U_СТ)/R₀ = (100 – 7.5)/200 = 0.46 A. P_ВХ = Е_ПсрI_ВХ = 100∙0.46 = 46 Вт.

КПД = η = Р_Н/Р_ВХ = 1.12/46∙100% = 2.43%.

6.4 Моделирование работы стабилизатора

6.4.1 Подготовка к работе

Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench (EWB).

В закладке диодов выбрать стабилитрон и вывести его на наборное поле. Вывести все остальные элементы схемы, произвести их соединение рисунок 11.

Для выбора конкретного диода выполнить ЛКМ двойной щелчок по изображению диода и в открывшемся окне выбрать в списке библиотек (слева) библиотеку моделей Philips 1, а в этой библиотеке (список справа) заданный диод.

На вкладке Display активизировать значения Show values для отображения на схеме типа диода и его номера.

Нажать кнопку ОК.

Закройте библиотеку моделей стабилитрона.

Установить величину сопротивленияR₀ и R_H согласно варианту таблицы 7.

(Не забудьте активизировать вкладку Display).

Установить внутреннее сопротивление амперметров М1 и М3 равным 1 mOm. Эти амперметры измеряют ток стабилитрона и ток нагрузки. Вольтметр М2 измеряет напряжение стабилизации и напряжение на нагрузке.

Установить напряжение источника питания равным среднему значению, полученному в результате расчета.

Включить моделирование.

6.4.2 Измерение параметров стабилизатора

- Записать в протокол ведения измерений напряжение Е_Пср, U_СТ, ток нагрузки I_H, ток стабилитрона I_СТ.

- Уменьшить сопротивление нагрузки вдвое. Вновь записать напряжение U_СТ, ток нагрузки I_H.

- Увеличить напряжение Е_П на 40 вольт. Записать напряжение U_СТ.

- Повысить температуру стабилитрона до 77^оС. Записать напряжение U_СТ.

6.4.3 Вычисление параметров стабилизатора

Выходное сопротивление R_ВЫХ =ΔU_СТ/ΔI_Н.

Здесь ΔU_СТ и ΔI_Н изменения напряжения стабилизации и тока нагрузки при изменении сопротивления нагрузки (ΔU_СТ = 5.312 – 5.310 = 0.002 В, ΔI_Н = 178 – 88 = 90 мА, R_ВЫХ = 0.002/0.090 = 0.022 Ом).

Коэффициент стабилизации К_СТ = (ΔЕ_П/Е_Пср)·(U_СТ/ΔU_СТ).

Здесь ΔЕ_П = 40 В.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации

t

ТКН = (ΔU_СТ/U_СТ)· (1/Δt)·100%.

Здесь Δt – разница температур (27 и 77 ⁰С), ΔU_СТ – изменение напряжения стабилизации при изменении температуры.

Вычислить КПД КПД = Р_Н/Р_ВХ = (U_Н·I_Н)/(Е_Пср·I_ВХ). I_ВХ = (I_Н + I_СТ).

6.4.5 Подготовить отчёт по работе

Содержание отчета указано в пункте 4.