Лабораторная работа № 6 Исследование параметрического стабилизатора

Другие лабораторные по этому курсу Вы можете найти по ссылке >>>>>

Изучение процессов в схеме параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока и оценка влияния параметров стабилитрона на характеристики стабилизатора в целом.

Вариант 01

Вариант 02

Вариант 03

Вариант 05

Вариант 09

 

 

 

6.1           Литература

 

1 Иванов–Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС: Учебник для вузов по специальности “Радиотехника”. – М.: Высш. шк., 1991. – 272 с., илл., ISBN.5–06–001896–2.

• Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ А.А. Бокуняев, Б.М. Бушуев, А.С. Жерненко и др. Под ред. Ю.Д. Козляева. – М.: Радио и связь,1998. – 328 с., ил.
• Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ О.А. Доморацкий, А.С. Жерненко, А.Д. Кратиров и др. – М.: Радио и связь, 1981. – 320 с., ил.

6.3 Пояснения к работе

 

В параметрических стабилизаторах         напряжения режим стабилизации осуществляется за счет нелинейности вольт–амперной характеристики (ВАХ)

регулирующего элемента. От ВАХ зависит качество стабилизации. В параметрических стабилизаторах напряжения находят применение элементы, ВАХ которых представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1– ВАХ нелинейного элемента

 

Степень нелинейности ВАХ на рабочем участке ВС оценивается отношением динамического и статического сопротивлений.

Статическое сопротивление R_С – это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точке характеристики (точка А): R_С = U₀ / I₀ tg a .

Динамическое сопротивление элемента R_Д равно отношению приращения напряжения на элементе DU к приращению тока DI, протекающего через элемент. Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент изменениям тока: R_Д = DU / DI tg b .

Статическое и динамическое сопротивления не равны между собой и изменяются в зависимости от величины напряжения и тока: Ð a > Ð b; R_С > R_Д.

В качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах напряжения обычно используются полупроводниковые стабилитроны. Такие стабилизаторы   применяются при мощности в нагрузке до нескольких ватт. Их достоинство – простота схемы, недостаток – низкий КПД, отсутствие плавной регулировки и точной установки выходного напряжения.

Схема простейшего стабилизатора (рисунок 6.2) состоит из гасящего сопротивления R_B , включенного последовательно с нагрузкой, и стабилитрона

VD, включенного параллельно нагрузке.

 

Рисунок 6.2 – Однокаскадный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне

Рассмотрим принцип действия данного стабилизатора. На  рисунке 6.3

изображены ВАХ стабилитрона и нагрузки. Так как сопротивление нагрузки и

 

 

Рисунок 6.3 – ВАХ стабилитрона и нагрузки

 

стабилитрон включены параллельно, то для построения суммарной характеристики необходимо сложить характеристики сопротивления R_Н (прямая ОА ) и стабилитрона VD по оси токов. Полученная кривая представляет собой зависимость U₂ = f (I_Н + I_СТ ). Рабочий участок этой кривой получается смещением характеристики стабилитрона на величину тока нагрузки I_Н . Отложив на оси ординат величину входного напряжения U₁, строим из этой точки характеристику сопротивления R_B . Точка пересечения

этой характеристики с суммарной характеристикой сопротивления нагрузки и стабилитрона определяет установившийся режим для данной величины входного напряжения. При изменении входного напряжения характеристика сопротивления R_В перемещается и соответственно перемещается рабочая точка на суммарной характеристике U₂ = f (I_Н + I_СТ ).

Как видно из рисунка 6.3, при изменении входного напряжения от U_1MIN до U_1MAX напряжение на сопротивлении нагрузки изменятся от U₂₍₁₎ до U₂₍₂₎ , причем изменение выходного напряжения DU₂ значительно меньше изменения

напряжения на входе DU₁ .

Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора постоянного напряжения представим его эквивалентной схемой для изменений напряжения на входе (рисунок 6.4). Считая, что стабилизатор

Рисунок 6.4 – Эквивалентная схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения для изменения напряжения

 

нагружен на активное сопротивление R_Н , изменение DU₁ является медленным, а дифференциальное сопротивление стабилитрона неизменно в пределах рабочего участка характеристики стабилитрона. Тогда, передаточная функция, связывающая возмущение на входе DU₁ с реакцией на выходе DU₂ , представляется коэффициентом деления

 

(6.1)

Преобразуя (6.1),  найдём

(6.2)

Из (6.1) определяем

(6.3)

Отношение DU₁/DU₂ является дифференциальным коэффициентом стабилизации K_{СТ. Д.}, который связан с коэффициентом стабилизации K_{СТ. U} выражением

(6.4)

где K₀ = U₂/U₁– коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения стабилизатора.

Коэффициент стабилизации схемы рисунка 6.2 может быть увеличен:

— каскадным (последовательным) включением параметрических стабилизаторов;

— включением вместо резистора R_B токостабилизирующего двухполюсника;

—    применением мостовых схем стабилизаторов.

 

Для повышения выходной мощности на выходе включают эмиттерный повторитель (УПТ) как показано на рисунке 6.5

 

Рисунок 6.5 – Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем постоянного тока

 

Параметрический    стабилизатор  (резистор R_B   и стабилитрон VD)

нагружается входным сопротивлением усилительного каскада, включенного по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель) .

 

.

 

Любое изменение U₂ (например, вызванное изменением R_H) приводит к соответствующему изменению U_БЭ и последующее «приоткрывание» или «призакрывание» транзистора VT. Таким образом, УПТ выполняет усиление сигнала по мощности.  При  этом, коэффициент стабилизации стремится

к предельной величине:

,

где – статическое сопротивление                                     стабилитрона в рабочей точке.

 

 

6.4           Порядок выполнения работы

 

Модель параметрического стабилизатора приведена на рисунке 6.6. Она позволяет исследовать процессы в параметрическом стабилизаторе напряжения (ПСН) и с усилителем постоянного тока (УПТ) на выходе.

 

Рисунок 6.6 – Модель параметрического стабилизатора с УПТ на выходе (файл SPARUPT)

 

ПСН собран на элементах RB, VD, а УПТ- на транзисторе VT.

Входное напряжение стабилизатору обеспечивает регулируемый источник ЭДС (EDS), который управляется напряжением с потенциометра R1 (клавиша «1») в диапазоне от 0 до 24 вольт с крутизной 2В/В. Это напряжение контролируется вольтметром U1.

Нагрузочный реостат управляется клавишей R на 10 % при каждом нажатии. Назначение других приборов очевидно из схемы.

 

1                        . В соответствии со своим вариантом (номером бригады) выпишите исходные данные из таблицы 6.1.

 

Таблица 6.1 – Исходные данные для параметрического стабилизатора

 

Номер бригады	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Rн , Ом	15	20	25	30	40	50	60	70	80	100
Тип стабилит-рона VD	1N 4733A	1N 4734A	1N 4735A	1N 4736A	1N 4737A	1N 4738A	1N 4739A	1N 4740A	1N 4741A	1N 4742A

Откройте окно (рисунок 6.7) Models стабилитрона VD и установите его тип из библиотеки 1n. Установите сопротивление нагрузки, открыв окно Value RH (рисунок 6.8).

 

 

Рисунок 6.7 – Окно Models стабилитрона VD

 

 

Рисунок 6.8 – Окно Value RH

 

Закройте окно через клавишу «ОК».

 

2  Установите реостат нагрузки RН в положение 50 % (клавишей R, для движения в другую сторону – Shift +R), а резистор R1 – 10 % (клавишей 1).

 

Подготовьте таблицу 6.2.

 

Таблица 6.2 – Снятие зависимостей U_CT и U_H от U₁

 

R1, %	10	20	30	40	50	60	80	100
U1, В	x	x	x	x	x	x	x	x
UCT, В	x	x	x	x	x	x	x	x
ICT, мА	x	x	x	x	x	x	x	x
UH, В	x	x	x	x	x	x	x	x
IH, мА	x	x	x	x	x	x	x	x
IK, мА	x	x	x	x	x	x	x	x

Включите макет с помощью клавиши в правом верхнем углу экрана.   Заполните таблицу, учитывая, что после каждого переключения требуется пауза для завершения переходного процесса в вычислениях. Выключите макет.

3 Постройте зависимости U_CT и U_H от U₁, найдите рабочую область стабилизатора по входному напряжению (где U_H не зависит от U₁). Выберите рабочую точку в середине этой области, что соответствует номинальному режиму работы схемы.

• Рассчитайте экспериментальные значения K_CT и для ПСН и (ПСН + УПТ) в номинальном режиме:

–   для ПСН

–   для (ПСН + УПТ).

Величину приращения напряжения () для коэффициентов стабилизации берём как разность двух крайних точек рабочей области.

• С помощью резистора R1 установите номинальный режим работы стабилизатора (в середине рабочей области по входному напряжению). Запишите напряжение U₁.

 

• Подготовьте таблицу 6.3.

 

Таблица 6.3 – Снятие зависимостей Uн и Uст от тока нагрузки Iн

 

RН, %	100	60	40	20	10	5
Uн, В	x	x	x	x	x	x
Iн, мА	x	x	x	x	x	x
Iк, мА	x	x	x	x	x	x
Uст, В	x	x	x	x	x	x
Iст, мА	x	x	x	x	x	x

 

Включите схему и заполните таблицу, изменяя нагрузку клавишей «R».

• Постройте в масштабе зависимости Uн и Uст от Iн и найдите внутреннее сопротивление

– для ПСН

–   для (ПСН + УПТ)

• Определите теоретические значения коэффициентов стабилизации   ПСН и (ПСН + УПТ), если известно, что транзистор имеет коэффициент усиления по току ().

 

–   для ПСН

–   для (ПСН + УПТ)

где .

 

6.5 Результаты работы

 

Подготовьте отчет по лабораторной работе.

 

6.6 Контрольные вопросы

1 Зачем нужны стабилизаторы напряжения и тока? Каким выражением определяется коэффициент стабилизации по напряжению?

• Приведите принципиальную схему параметрического стабилизатора.
• Какое назначение имеют основные элементы схем параметрических стабилизаторов?
• В чем состоит сущность параметрического метода стабилизации?
• Нарисуйте ВАХ стабилитрона и обоснуйте выбор рабочей точки на ней для параметрического стабилизатора постоянного напряжения.
• Поясните работу токостабилизирующего двухполюсника.