200101_jeimpt_lr_2012

от тока (рис. 2.1, б), что позволяет использовать стабисторы для стабилизации только малых напряжений (не более 2В) [6]. Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним включают сопротивление. В отличие от стабилитронов, при увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН. Схема включения стабилитрона приведена на рис. 3.2.2 а, а стабистора – на рис. 2.2, б.

Рисунок 2.2 – Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б)

Приведенный выше характер температурной зависимости

напряжения стабилитронов обусловлен различным	видом	пробоя
в них. В широких переходах при напряженности	поля в	них до

5 104 В/см имеет место лавинный пробой. Такой пробой при напряжении на переходе более 6 В имеет положительный температурный коэффициент.

В узких переходах при большой напряженности электрического поля (более 1,4 106 В/см) наблюдается пробой, который называется зенеровским. Такой пробой имеет место при низком напряжении на переходе (менее 5В) и характеризуется отрицательным температурным коэффициентом. При напряжении на переходе от 5 до 6В одновременно существуют оба вида пробоя, поэтому ТКН близок к нулю. График зависимости температурного коэффициента ТКНСТ от напряжения стабилизации UСТ приведен на рис. 2.3.

Рисунок 2.3 – Зависимость температурного коэффициента от напряжения стабилизации

31

Основными параметрами стабилитронов являются:

–напряжение стабилизации Uст;

–температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКНст;

–допустимый ток через стабилитрон Iст.доп.;

–дифференциальное сопротивление стабилитрона rст.

Кроме того, для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона tвкл, а для двухсторонних стабилитронов нор-

мируется	несимметричность	напряжений	стабилизации
UСТ UСТ1 UСТ 2 .

Дифференциальное сопротивление стабилитрона — это параметр,

который характеризует наклон вольтамперной характеристики в области пробоя. На рис. 2.4, а приведена линеаризованная ВАХ стабилитрона, с помощью, которой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис. 2.4, б.

Используя приведенную на рис. 2.4, б схему замещения, можно рассчитать простейший стабилизатор напряжения, изображенный на рис. 2.5, а. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчетную схему, изображенную на рис. 2.5, б.

Рисунок 2.4 – Линеаризованная ВАХ стабилитрона (а) и его схема замещения (б)

Рисунок 2.5 – Схема простейшего стабилизатора напряжения (а) и его схема замещения (б)

32

Для этой схемы можно написать систему уравнений

U	ВХ	I	СТ	I	Н	R	Г	U	ВЫХ
										(2.1)
		U	ВЫХ IСТ rСТ .
UСТ

В результате решения системы уравнений (2.1) получим напряжение на выход стабилизатора

U

U

rСТ

U

RГ

I

rСТ RГ

,

(2.2)

ВЫХ

ВХ r

R

СТ

r

R

Н

r

R

Г

Г

Г

СТ

СТ

СТ

где IН UВЫХ

RН — ток нагрузки.

Подставив значение IН, получим окончательно

U ВЫХ U ВХ

rСТ RН

UСТ

RГ RН

. (2.3)

R

Н

r

R

Г

r

R

Г

R

Н

r

R

Г

r

R

СТ

СТ

СТ

СТ

Г

Из выражения (2.3) следует, что выходное напряжение стабилизатора зависит от напряжения на входе стабилизатора UВХ, сопротивлений нагрузки RН и ограничения тока RГ, а также параметров стабилитрона UСТ и rСТ.

Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводника (К – кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС168А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8 В, в металлическом корпусе.

Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.

Исследование стабилитрона можно провести в схеме параметрического стабилизатора напряжения, рассмотренной ранее. Эта схема в системе моделирования EWB [10] представлена на рис. 2.6.

Ток Iст стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R по следующей формуле:

IСТ E UСТ R .	(2.4)
33

Напряжение стабилизации UCT стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона РСТ вычисляется как произведение тока IСТ на напряжение UСТ:

PСТ IСТ UСТ .

(2.5)

Рисунок 2.6 – Параметрический стабилизатор напряжения

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода или по наклону вольтамперной характеристики (см.

рис. 2.4, а).

2.4Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон

а) Определение напряжения стабилизации

Создайте и включите схему (рис. 2.6). Измерьте значение напряжения U на стабилитроне при значениях ЭДС источника, приведенных в табл. 2.1 раздела «Содержание отчета», и занесите результаты измерений в ту же таблицу.

б) Вычисление тока стабилизации

Вычислите ток I стабилитрона для каждого значения напряжения U. Результаты вычислений занесите в табл. 2.1 раздела «Содержание отчета».

в) Построение ВАХ стабилитрона

По данным табл. 3.2.1 постройте ВАХ стабилитрона (рисунок

3.2.8).

г) Оценка по ВАХ стабилитрона его напряжение стабилизации

Определите по ВАХ стабилитрона напряжение стабилизации UСТ.

д) Вычисление мощности, рассеиваемой на стабилитроне

34

Вычислите мощность РСТ, рассеиваемую на стабилитроне при

Е = 20 В.

е) Оценка дифференциального сопротивления стабилитрона

Измерьте на рис. 2.8 наклон ВАХ в области стабилизации напряжения и оцените дифференциальное сопротивление стабилитрона в этой области.

Эксперимент 2. Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора

а) Измерение напряжения на выходе схемы

Подключите резистор RН = 75 Ом параллельно стабилитрону. Значение источника ЭДС установите равным 20 В. Включите схему. Запишите значение напряжения UСТ на стабилитроне в табл. 2.2 раздела «Содержание отчета».

Повторите эксперимент при коротком замыкании и при сопротивлениях резистора RН 100 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 кОм, занесите данные в табл. 2.2.

б) Расчет токов, протекающих через элементы схемы

Рассчитайте ток I через резистор R, включенный последовательно с источником, ток IН через резистор RН, и ток стабилитрона IСТ для каждого значения RН из табл. 2.2, приведенного в разделе «Содержание отчета». Результаты занесите в ту же таблицу.

Эксперимент 3. Получение ВАХ стабилитрона на экране осциллографа

35

Создайте и включите схему (рис. 2.7). Запишите в раздел «Содержание отчета» напряжение стабилизации, полученное из графика на экране осциллографа.

Рисунок 2.7 – Схема для наблюдения ВАХ стабилитрона

2.5 Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон

	а)... б) Данные			для построения ВАХ			стабилитрона занесите
в табл. 2.1.
	Таблица 2.1 – Результаты экспериментов
	E,B		U, мВ	I, мА	E,B		U, мВ	I, мА
	0				15
	2				20
	4				25
	6				30
	10				35

в) Построение ВАХ стабилитрона

36

Рисунок 2.8 – Вольтамперная характеристика стабилитрона

г) Оценка по ВАХ стабилитрона его напряжение стабилизации

UСТ = ________ В

д) Вычисление мощности рассеиваемой на стабилитроне РСТ = _________ Вт

е) Оценка дифференциального сопротивления стабилитрона rСТ = ________ Ом

Эксперимент 2. Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора

а) Измерение напряжения на выходе схемы

Таблица 2.2 – Напряжение на стабилитроне UСТ и значения токов схемы I, IН, IСТ при Е=20 В

RН, Ом	UСТ, В	I, мА	IН, мА	Iст, мА
75
100
200
300
600
1000
к.з.

Эксперимент 3. Получение ВАХ стабилитрона на экране осциллографа

Напряжение стабилизации, определяется из ВАХ, полученной при помощи расширенной модели осциллографа (режим Expand).

UСТ = ___________ В

2.6 Вопросы для самопроверки

37

1.Какие полупроводниковые приборы называются стабилитро-

нами?

2.Какие полупроводниковые приборы называются стабисторами?

3.В чем заключается отличие стабилитрона от выпрямительного диода?

4.Объясните принцип действия стабилитрона.

5.Как работает параметрический стабилизатор?

6.Перечислите и объясните смысл основных параметров стабилитрона.

7.Сравните относительное изменение напряжения на стабилитроне с относительным изменением питающего напряжения. Оцените степень стабилизации напряжения.

8.Влияет ли значение сопротивления нагрузки на степень стабилизации выходного напряжения стабилизатора?

9.Как изменяется напряжение стабилитрона UСТ, когда ток стабилитрона становится ниже 20 мА?

10.Каково значение тока стабилитрона IСТ при входном напряжении 15 В?

11.Какое значение имеет ток стабилитрона IСТ при значении сопротивления резистора R = 200 Ом?

12.Как изменяется напряжение UСТ на выходе стабилизатора, при уменьшении сопротивления резистора R?

Лабораторная работа № 3 Источники вторичного электропитания: исследование

однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей

3.1 Цель работы

1.Анализ процессов в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

2.Сравнение форм входного и выходного напряжений для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

3.Определение среднего значения выходного напряжения (постоянной составляющей) в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

38

4.Определение частоты выходного сигнала в схемах однополупериодного выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора.

5.Сравнение максимальных значений выходного напряжения для схем двухполупериодного и однополупериодного выпрямителей.

6.Сравнение частот выходного сигнала для схем двухполупериодного и однополупериодного выпрямителей.

7.Анализ обратного напряжения Umax на диоде в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

8.Исследование работы трансформатора в схеме выпрямителя.

3.2 Приборы и элементы

Мультиметр – группа Instruments Осциллограф – группа Instruments

Источник переменного напряжения 120 В группа Sources

–

Трансформаторы – группа Basic Диоды 1N4001 – группа Diodes

Резисторы – группа Basic

3.3 Краткие сведения из теории

Средства электропитания их назначение и структуры

Среди средств электропитания электронных устройств различают первичные и вторичные. Первичными являются средства, преобразующие неэлектрическую энергию в электрическую. Выходное напряжение первичных источников часто не поддается регулировке и имеет низкую стабильность. Для питания электронной аппаратуры в большинстве случаев требуется высокостабильное напряжение, что объясняет использование источников вторичного электропитания,

имеющихся в электронных устройствах и подключаемых к одному из первичных [6].

Средства вторичного электропитания – источники вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для преобразования энергии первичного источника в набор напряжений с заданными характеристиками (рис. 3.1).

39

Рисунок 3.1 – Обобщенная структурная схема ИВЭП

В состав ИВЭП, кроме самого источника питания, могут входить дополнительные устройства, обеспечивающие его нормальную работу при различных внешних воздействиях.

Устройство управления и контроля используется для изменения характеристик ИВЭП при различных сигналах внешнего или внутрен-

него управления, а устройство защиты и коммутации сохраняет ра-

ботоспособность ИВЭП при возникновении различных нестандартных режимов.

В зависимости от вида первичного источника электропитания ИВЭП можно разделить на две группы: инверторные и конверторные. Инверторные ИВЭП используются для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока или наоборот, а конверторные – для преобразования одного напряжения в другое.

По принципу действия ИВЭП различают трансформаторные и бестрансформаторные; по количеству выходных напряжений – одноканальные и многоканальные, по выходной мощности – микромощные (1 Вт), маломощные (от 1 до 100Вт), средней мощности (от 100Вт до 1кВт) и мощные (> 1 кВт).

40