Лабораторная работа №7 «Исследование работы параметрического стабилизатора»

Цель работы:

1. Ознакомление с методикой построения схем и моделирования работы устройств в компьютерной лаборатории электротехники и электроники.

2. Исследование основных характеристик стабилизатора: коэффициента стабилизации и выходного сопротивления – в зависимости от коэффициента усиления в цепи обратной связи.

3. Экспериментальное исследование работы параметрического стабилизатора.

Приборы и элементы	Условное обозначение
Амперметр
Мультиметр
Вольтметр
Источник постоянного напряжения
Стабилитрон 1N746
Резисторы
Переменный резистор

Краткие теоретические сведения.

Стабилизатором называется устройство, включаемое между питающей сетью и нагрузкой и обеспечивающее автоматическое поддержание с определенной точностью напряжения на нагрузке Uн (стабилизатор напряжения) или тока в нагрузке Iн (стабилизатор тока) при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Основными параметрами стабилизатора напряжения являются:

 частный коэффициент стабилизации по входному напряжению (часто называемый коэффициентом стабилизации), определяемый как отношение относительной нестабильности входного напряжения (Uвх) к относительной нестабильности напряжения на нагрузке при постоянном сопротивлении нагрузки (Rн) и отсутствии других дестабилизирующих факторов

(1)

 выходное сопротивление Rвых, определяющее наклон внешней характеристики стабилизатора:

(Rн = var); (2)

 коэффициент полезного действия

 = Pн/Pвх, (3)

где Pн = UнIн  мощность, поступающая из стабилизатора в нагрузку,

Pвх = Uвх Iвх  мощность на входе стабилизатора.

По принципу построения схем стабилизаторы делятся на два больших класса  параметрические и компенсационные. Отличие компенсационных стабилизаторов в том, что в них есть цепь обратной связи.

Рис.1

В самом общем виде любой стабилизатор напряжения (как параметрический, так и компенсационный) может рассматриваться как делитель напряжения, составленный из сопротивления нагрузки и сопротивления, входящего в состав стабилизатора и включенного последовательно с ней (рис. 1). Стабилизатор в этом смысле представляет собой некое балластное сопротивление Rб, включенное между входными и выходными зажимами. В качестве такого сопротивления может выступать резистор, транзистор (или другой электронный прибор), катушка индуктивности (в стабилизаторах, работающих в цепи переменного тока). В некоторых схемах стабилизаторов параллельно выходным зажимам могут включаться другие устройства (транзисторы, стабилитроны), но элемент Rб присутствует всегда.

При подобном рассмотрении напряжение на нагрузке определяется как разность входного напряжения и падения напряжения на Rб:

Uн = Uвх  Iвх Rб. (4)

Чтобы выходное напряжение оставалось примерно постоянным (в пределах, определяемых стабилизирующими свойствами), необходимо, чтобы при изменении Uвх соответствующим образом изменялось падение напряжения на сопротивлении Rб. И, наоборот, при изменении сопротивления нагрузки (тока в цепи нагрузки) падение напряжения на Rб должно оставаться примерно постоянным. Очевидно, что такое положение можно обеспечить всего лишь двумя способами (см. выражение (4)): изменяя либо само сопротивление Rб, либо ток, проходящий через него.

В параметрическом стабилизаторе напряжения используют особенности вольтамперной характеристики стабилитрона. ВАХ стабилитрона выглядит следующим образом:

Первым способом строятся компенсационные стабилизаторы с последовательным (относительно нагрузки) включением регулирующего элемента, сопротивление которого изменяется соответствующим образом при изменении выходного напряжения. Вторым способом  компенсационные стабилизаторы с параллельным (по отношению к нагрузке) включением регулирующего элемента и стабилизаторы параметрические, в которых параллельно нагрузке включается нелинейный двухполюсник. В этом случае ток регулирующего элемента или нелинейного двухполюсника (в параметрическом стабилизаторе) должен сильно изменяться с изменением выходного напряжения. Замыкаясь через сопротивление Rб, этот ток и создает дополнительное падение напряжения в случае изменения входного напряжения. При изменении сопротивления нагрузки ток этого элемента компенсирует изменение тока в цепи нагрузки, обеспечивая тем самым малое изменение тока, текущего через сопротивление Rб.

Рис.2

Подобное представление работы стабилизатора наглядно демонстрирует и основной недостаток стабилизаторов с непрерывным регулированием. Выходное напряжение здесь не может быть больше входного при самом минимальном его значении, т. е. эффект стабилизации достигается за счет того, что весь излишек входного напряжения выше минимального падает на балластном элементе Rб. Учитывая, что по Rб протекает весь входной ток стабилизатора, мощность, которая в нем рассеивается, будет большой. Поэтому коэффициент полезного действия стабилизаторов с непрерывным регулированием невысок, и тем ниже, чем в больших пределах возможно изменение входного напряжения. Изменение сопротивления нагрузки в схеме с последовательным включением регулирующего элемента на коэффициент полезного действия не влияет. Напротив, в стабилизаторах с параллельным включением регулирующего элемента, и в параметрических стабилизаторах, коэффициент полезного действия уменьшается при снижении нагрузки (в энергетическом смысле), достигая нуля на холостом ходу.

Порядок выполнения работы

1. Запустить Electronics Workbench.

2. Подготовьте новый файл для работы.

3. Перенесите необходимые элементы из заданной преподавателем схемы на рабочую область Electronics Workbench. Для этого необходимо выбрать раздел на панели инструментов (Sources, Basic, Diodes, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в котором находится нужный вам элемент, затем перенести его на рабочую область.

4. В соответствии с вариантом выбрать из табл. 1.3 стабилитрон для исследования.

Таблица 1.3

№ п/п	Стабилитрон	№ п/п	Стабилитрон	№ п/п	Стабилитрон	№ п/п	Стабилитрон
1	1N746	11	1N756	21	1N963A	31	1N973A
2	1N747	12	1N757	22	1N964A	32	1N974A
3	1N748	13	1N758	23	1N965A	33	1N975A
4	1N749	14	1N759	24	1N966A	34	1N976A
5	1N750	15	1N957A	25	1N967A	35	1N977A
6	1N751	16	1N958A	26	1N968A	36	1N978A
7	1N752	17	1N959A	27	1N969A	37	1N979A
8	1N753	18	1N960A	28	1N970A	38	1N980A
9	1N754	19	1N961A	29	1N971A	39	1N981A
10	1N755	20	1N962A	30	1N972A	40	1N982A

5. Соедините контакты элементов и расположите элементы в рабочей области для получения необходимой вам схемы (рис.2). Для соединения двух контактов необходимо щелкнуть по одному из контактов основной кнопкой мыши и, не отпуская клавишу, довести курсор до второго контакта. В случае необходимости можно добавить дополнительные узлы (разветвления). Нажатием на элементе правой кнопкой мыши можно получить быстрый доступ к простейшим операциям над положением элемента, таким как вращение (rotate), разворот (flip), копирование/вырезание (copy/cut), вставка (paste).

6. Проставьте необходимые номиналы и свойства каждому элементу. Для этого нужно дважды щелкнуть мышью на элементе.

7. Когда схема собрана и готова к запуску, нажмите кнопку включения питания на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (замыкание элемента питания накоротко, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение

После запуска схема будет выглядеть следующим образом

Рис.3

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

9. Изменяя напряжение источника питания переменным резистором снимите зависимость изменения напряжения на нагрузке от изменения входного напряжения Uн=f(Uвх).

10. Измените, значение сопротивления нагрузки (уменьшите его в два раза) и снимите зависимость изменения напряжения на нагрузке от изменения тока нагрузки Uн=f(Iн) при входном напряжении 15 вольт.

11. По данным измерений постройте графики характеристик стабилизатора Uн=f(Uвх).и Uн=f(Iн)

12. По характеристикам стабилизатора напряжения, определите графоаналитическим методом следующие параметры стабилизатора.

Коэффициенты передачи напряжения К_п = (U_н/U_вх). и Кст = ( U_вх/U_н)К_п

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте ВАХ стабилитрона. Какие физические процессы опре­деляют её?

2. В чём отличие ВАХ диода и стабилитрона?

3. Дайте определение основным параметрам стабилитрона.

4. Чем ограничена величина максимального тока стабилизации?

5. Нарисуйте схему параметрического стабилизатора.

6. Назовите основные области применения диодов и стабилитронов.

7. Назовите основные параметры стабилитрона.

8. Можно ли использовать для целей стабилизации прямую ветвь стабилитрона

9. Почему пульсации напряжения на стабилитроне невелики?

10. Почему короткое замыкание на выходе не выводит параметрический стабилизатор из строя?

11. Почему кпд стабилизатора невысок?

12. Как изменяется режим работы стабилитрона при перегрузке?