Лабораторная работа № 7 Исследование компенсационного стабилизатора напряжения

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

Изучение процессов в схеме компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока в статическом режиме и оценка влияния параметров цепи обратной связи на характеристики стабилизатора в целом.

 

7.1                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.

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.

• Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 4–е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416 с., ил.

 

7.2                Пояснения к работе

 

Высокие коэффициент стабилизации и качество выходного напряжения можно получить только с помощью стабилизатора компенсационного типа, который выполняется по одной из структурных схем, показанных на рисунке 7.1.

 

Рисунок 7.1 – Структурные схемы стабилизаторов компенсационного типа с последовательно (а) и параллельно (б) включенным регулирующим элементом.

Выходное напряжение подается на схему сравнения (СС), в которой оно сравнивается с заданным значением U_ВЫХ. При отклонении выходного напря-жения U_ВЫХ от заданного значения на выходе схемы сравнения (СС) появляется сигнал рассогласования или управления U_У , который подается на вход усилителя. С выхода усилителя сигнал, имеющий значение U_УС , подается на регулирующий элемент (РЭ), причем это воздействие приводит к изменению внутреннего сопротивления РЭ, а значит и падения напряжения на нем. При

правильно подобранных параметрах схемы, указанное изменение напряжения на регулирующем элементе должно скомпенсировать отклонение выходного напряжения U_ВЫХ от заданного значения.

Таким образом , U_ВЫХ =U_ВХ – U _РЭ = const, т.е. будет стабилизировано. Сравнивая компенсационный метод стабилизации с параметрическим, можно заметить, что при компенсационном методе стабилизации регулирование выходного напряжения связано с воздействием по цепи отрицательной обратной связи на регулирующий элемент. Для оценки замкнутой системы с обратной связью используют коэффициент усиления по замкнутому контуру (петлевое усиление) на постоянном токе: K_ПЕТЛ = K_Д × K_У × K_Р ,

где    K_Д – коэффициент передачи делителя напряжения;

K_У – коэффициент передачи усилителя;

K_Р – коэффициент передачи регулирующего элемента.

 

Рассмотрим принцип действия компенсационного стабилизатора с последовательным включением регулирующего элемента. Принципиальная схема стабилизатора (рисунок 7.2)  состоит из следующих функциональных узлов: VT1 – регулирующий транзистор, VT2 – усилительный транзистор и схема сравнения: делитель напряжения R₃, R₄ (следящий делитель) и источник опорного напряжения, который состоит из стабилитрона VD и резистора R₂ . Напряжение на базе усилительного транзистора VT2 представляет собой разность между напряжением на нижней части делителя U_R4 и опорным напряжением U_VD .

 

Рисунок 7.2 – Принципиальная схема полупроводникового стабилизатора

 

Допустим, что вследствие изменения нагрузки или напряжения на входе схемы выходное напряжение U_Н увеличилось. При этом увеличится положительный потенциал на базе VT2 , что приведет к увеличению тока коллектора I_К2 транзистора VT2. Возросший тока I_К2 создает на резисторе R₁ соответственно увеличенное падение напряжения, в результате чего понизится положительный потенциал базы транзистора VT1 и уменьшится ток его базы I_Б1, а вместе с ним и ток коллектора I_К1 . Уменьшенный ток коллектора I_К1 позволит восстановить напряжение U_ВЫХ практически до прежнего значения.

 

7.4           Описание модели компенсационного стабилизатора

 

Модель компенсационного стабилизатора приведена на рисунке 7.3. Она позволяет исследовать процессы в компенсационном стабилизаторе напряжения (КСН) в статическом режиме.

 

Рисунок 7.3 – Модель компенсационного стабилизатора с последовательным

регулирующим элементом (Файл SKSN)

 

КСН содержит регулирующий элемент -VT1 (транзистор ZTX 869   из библиотеки zetex), источник эталонного напряжения — R3, VD1(стабилитрон 1N4733A из библиотеки motor 1n), следящий делитель R4,R5, усилитель цепи обратной связи DA1 (УПТ — микросхема 741 из библиотеки default) с нагрузкой R2.

Входное постоянное 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 U01. Генератор U1 создаёт пульсации на входе стабилизатора.

Величина нагрузки регулируется с помощью реостата RH путем нажатия клавиши R (на 5 % при каждом нажатии; для движения в другую сторону используют комбинацию Shift + R).

Вольтметр    U02   измеряет     постоянную   составляющую выходного напряжения, вольтметр Um2 измеряет действующее значение напряжения пульсаций на выходе. Поэтому, при расчете коэффициента пульсаций необходимо учесть множитель . Переменную составляющую (амплитуду) можно измерять и посредством осциллографа (рисунок 7.4).

 

Рисунок 7.4 – Измерение уровней пульсации напряжения

 

Для этого установите удобную развертку: 0,5 mS/div; Y/T; Auto; 1 V/div (в канале А); 50…500 mV/div (в канале B); начальное смещение уровня сигнала Yposition равное 0,00.

Входы осциллографа должны быть закрыты (опция AC). Амплитудное значение входного напряжения Um1 соответствует 1 – ой визирной линии (показания в левом окне VA1) или ., амплитудное значение напряжения на выходе – Um2 измеряется второй визирной линией (VB2).

Величина нагрузки регулируется с помощью реостата RH путем нажатия клавиши R (на 5 % при каждом нажатии; для движения в другую сторону используют комбинацию Shift + R).

 

 

7.5 Порядок выполнения работы

1 В соответствии со своим вариантом (номером бригады) выпишите исходные данные из таблицы 7.1.

Таблица 7.1 – Исходные данные для компенсационного стабилизатора

 

Номер бригады	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
U1, В	1	1, 5	2	2, 5	3	1, 2	1, 6	2, 2	2, 8	3, 2
Kу1, Kу2	50 200	75 300	100 350	125 400	150 500	60 250	80 320	90 240	120 360	140 460

 

                Установите величину напряжения пульсаций U1, открыв окно (рисунок 7.5) источника переменного тока. Закройте окно клавишей «OK».

 

Рисунок 7.5 – Окно источника переменного тока

 

Проверьте коэффициент усиления УПТ в цепи обратной связи. Для этого подведите мышь под элемент DA1 до момента   появления символа «рука» и двойным щелчком откройте окно параметров (рисунок 7.6). Выберите опцию Models и нажмите на кнопку Edit.

 

 

Рисунок 7.6 – Окно параметров DA1

 

Открываются параметры усилителя «741». На первой странице Sheet 1 в строке Open-loop gain установите усиление Ку1 (рисунок 7.7).

 

Рисунок 7.7 – Параметры усилителя «741» (Sheet 1)

Выход через кнопки «OK».

• Установите реостат нагрузки RH в положение 50 %, резистор R1 – 10 % и   подготовьте таблицу 7.2.

Таблица 7.2 – Снятие зависимостей Um2 и U₀₂     от   U₀₁

 

R1, %	10	20	30	40	50	60	80	100
U01, В	x	x	x	x	x	x	x	x
U02, В	x	x	x	x	x	x	x	x
I02, А	x	x	x	x	x	x	x	x
Um2, мВ	x	x	x	x	x	x	x	x

 

3         Включите макет с помощью клавиши в правом верхнем углу экрана. Заполните таблицу, учитывая, что после каждого переключения требуется пауза для завершения переходных процессов. Измерение уровня пульсаций напряжения на выходе компенсационного стабилизатора (Um2) проводится любым способом, изложенным выше. Выключите макет.

4         Постройте в масштабе зависимости Um2 и U₀₂ от U₀₁ и найдите рабочую область стабилизатора по входному напряжению (U₀₂ не зависит или мало зависит от U₀₁). Середину области считайте номинальным режимом ().

• Рассчитайте КПД () и коэффициент сглаживания пульсаций (S) в начале, середине и в конце рабочей области   по формулам:

;    .

Расчет коэффициента стабилизации Kст по входному напряжению выполните только для номинального режима по формуле:

 

Приращения напряжений — находим как разность двух крайних значений на границах рабочей области.

6 По экспериментальным значениям и  найдите фактическое петлевое усиление Кр·Ку·Кд из основного уравнения стабилизатора

,

и фактический   Ку – коэффициент передачи усилителя, если известны

Кр = 1 – коэффициент передачи регулирующего элемента   и                   Кд = R5/(R4+R5) – коэффициент передачи следящего делителя.

Сравните Ку и Ку1 между собой. Объясните расхождения.

• С помощью резистора R1 установите номинальный режим работы стабилизатора – .
• Подготовьте таблицу 7.3.

 

Таблица 7.3 – Снятие зависимостей U₀₂ и Um2 от тока нагрузки

RН, %	100	60	40	20	10	5
U02, В	x	x	x	x	x	x
I02, А	x	x	x	x	x	x
Um2, мВ	x	x	x	x	x	x

 

Включите схему и заполните таблицу. Выключите схему.

 

8 Постройте в масштабе зависимости U₀₂ и Um2 от I₀₂ и найдите внутреннее сопротивление стабилизатора

 

.

9   Установите коэффициент усиления УПТ равный    Ку2.

Повторите пункты 2…8. Дайте сравнительную оценку результатов.

 

7.6 Результаты работы

Подготовьте отчет по лабораторной работе.

 

7.7 Контрольные вопросы

• Приведите структурные схемы стабилизаторов компенсационного типа. Объясните назначение основных узлов компенсационных стабилизаторов напряжения и в чем состоит сущность компенсационного метода стабилизации?

2   На какой элементной базе выполняются основные узлы компенсационного стабилизатора напряжения?

3   В чем состоит принципиальное отличие компенсационного метода стабилизации от параметрического?

4 Приведите принципиальную схему компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием. Объяснить принцип действия.

5   Чем определяется качество стабилизации выходного напряжения?

6   Как построить стабилизатор с выходным напряжением меньше эталонного?

7   Как построить стабилизатор тока на   основе стабилизатора напряжения?