Теоретические сведения. Стабильность напряжения питания является необходимым условием нормальной работы многих электронных устройств и нормального протекания ряда технологических

Стабильность напряжения питания является необходимым условием нормальной работы многих электронных устройств и нормального протекания ряда технологических процессов.

Для стабилизации напряжения на нагрузке при колебаниях напряжения сети или потребляемого нагрузкой тока применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизаторы напряжения подразделяют на параметрические и компенсационные. Параметрический стабилизатор основан на использовании элемента с нелинейной характеристикой, например, стабилитрона. Схема и вольт-амперные характеристики стабилизатора напряжения приведены на рис. 2.1.

Стабилитрон VD в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузке R_Н. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор R_б.

Входное напряжение U_ВХ, подаваемое на схему стабилизации должно быть больше напряжения стабилизации стабилитрона U_СТ. Часть входного напряжения падает на резисторе R_б, а остальная часть приложена к нагрузке.

U_н = U_вх- (I_ст +I_н) R_б, (2.1)

I_н=U_н/R_н = U_ст/R_н. (2.2)

На рис. 2.1, б приведены вольтамперная характеристика стабилизатора (3) и «опрокинутые» вольт-амперные характеристики резистора R_б (1 и 2). При увеличении напряжения U_ВХ1 (положение 1) на D U_ВХ, например, из-за повышения напряжения в сети, вольт-амперная характеристика резистора R_б переместится параллельно самой себе и займет положение 2.

Рисунок 2.1 - Схема параметрического стабилизатора напряжения на

полупроводниковом стабилитроне (а) и вольт-амперные

характеристики (б), поясняющие его работу

Так как вольт-амперная характеристика стабилитрона на рабочем участке (от I_СТ.min до I_СТ.max) является почти вертикальной, то напряжение U_СТ..2 мало отличается от U_СТ.1, т.е. напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется практически неизменным. Напряжение на нагрузке останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока.

Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора R_б должно быть таким, чтобы при номинальном значении входного напряжения его вольт-амперная характеристика пересекала вольт-амперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току стабилизатора I_СТ.НОМ. При всех возможных изменениях U_ВХ и R_Н ток через стабилитрон не должен выходить за пределы допустимых значений:

I_ст.min £ I_ст. £ I_ст.max . (2.3)

Из уравнений (2.1) и (2.2) получим:

U_ст = U_вх - (I_ст + U_ст / R_н) R_б (2.4)

Отсюда

R_б= (U_вх-U_ст)/ (I_ст + U_ст/ R_н) (2.5)

Расчет R_б предварительно может быть выполнен по формуле (2.5). При этом принимается I_СТ = I_СТ.ном, а U_ВХ.ном = (1, 2 - 1, 8)U_СТ. Затем проверяется выполнение условия (2.3).

Из уравнения (2.4) следует:

I_ст = (U_вх- U_ст(R_б/ R_н + 1)/ R_б. (2.6)

Наибольший ток через стабилитрон протекает при U_ВХ = U_ВХ.max и R_Н = R_Н.max:

I_ст.max=(U_вх.max-U_ст(R_б/R_н.max+1))/R_б. (2.7)

Наименьший ток через стабилитрон протекает при U_ВХ = U_ВХ.min и

R_Н = R_Н.min:

I_ст.min=(U_вх.min-U_ст(R_б/R_н.min+1))/ R_б. (2.8)

При невыполнении одного из условий (2.7) или (2.8) производится корректировка выбранных R_б или U_ВХ.ном.

2.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает:

- лабораторный стенд, содержащий четыре диода VD1 -VD4, соединенные по мостовой схеме, стабилитрон VD7 с параметрами U_СТ = 26 В, I_СТ.min = 10 мА, I_{СТ. mах} = 180 мА, резистор балластный R_б = 80 Ом, нагрузочные резисторы R₁ = 200 Ом, R₂ = 40 Ом, R₃ = 150 Ом, конденсатор С₁ = 200 мкФ;

- миллиамперметр постоянного тока;

- вольтметры переменного и постоянного тока;

- источник регулируемого переменного напряжения U = 0 - 35 В.

2.3 Порядок выполнения работы

2.3.1 Ознакомиться с оборудованием и приборами.

2.3.2 Принимая U_ВХ.ном = 40 В; U_ВХ.max = 45 В; U_ВХ.min = 33 B; R_Н.НОМ. = 350 Ом; R_Н.max = 390 Ом; R_Н.min = 330 Ом; I_СТ.НОМ. = 100 мА; рассчитать, используя формулы (2.5), (2.7), (2.8), R_б, I_СТ.min, I_СТ.max и проверить выполнение условия (2.3).

2.3.3 Собрать электрическую схему (рис.2.2) для исследования стабилизатора напряжения, подключив R_Н = 390 Ом.

Рисунок 2.2 - Схема экспериментального исследования стабилизатора

напряжения

2.3.4 Изменяя U _вх от 45 до 20 В с заданным шагом, измерить значение

U_ВЫХ = U_СТ. Результаты измерений занести в табл. 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты исследований стабилизатора напряжения

2.3.5 Повторить измерения, указанные в пункте 3.4 для R_Н = 350 Ом и R_Н = 240 Ом.

2.3.6 По результатам, полученным согласно пункту 2.3.4, построить вольт-амперную характеристику стабилитрона U_СТ = ¦(I).

2.3.7 По результатам, полученным согласно пунктам 2.3.4, 2.3.5, построить графики зависимости U_ВЫХ = ¦(U_ВХ) для трех значений сопротивления нагрузки.

2.3.8 По результатам, полученным согласно пункту 2.3.4, рассчитать коэффициент стабилизации:

К_СТ = (DU_ВХ/U_ВХ.ном) / (DU_ВЫХ./ U_ВЫХ), (2.9)

а также внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора

R_ВЫХ = D U_ВЫХ /DI_ВЫХ

При расчетах принимать DU_ВХ = U_ВХ.mах - U_ВХ.min

2.4 Содержание отчета

2.4.1 Указать наименование и цель работы

2.4.2 Привести схему экспериментального исследования стабилизатора

2.4.3 Привести результаты расчета R_б, а также I_СТ._min и I_СТ._max.

2.4.4 Привести таблицу результатов исследований и графики зависимостей, указанные в пунктах 2.3.6 и 2.3.7.

2.4.5 Сделать выводы по работе.

2.5 Контрольные вопросы

2.5.1 Пояснить принцип работы параметрического стабилизатора напряжения, используя схему стабилизатора и вольт-амперную характеристику стабилитрона.

2.5.2 Каково назначение балластного резистора в схеме стабилизатора?

2.5.3 Каким выражением определяется коэффициент стабилизации?