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 Uст=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 Iст ,Iб – 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 Кд- 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.