ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
Лабораторная работа № 6. Компенсационный стабилизатор напряжения
Компенсационный стабилизатор напряжения
1. Принцип действия и основные параметры стабилизаторов
При проектировании источников питания для радиоэлектронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности выходного напряжения. Простейшими стабилизаторами являются схемы, использующие нелинейные элементы, вольтамперная характеристика которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока. Такую характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис.1а). Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис.1б.
Рис.1 а) Вольтамперная характеристика стабилитрона, работающего при обратном напряжении в области пробоя; б)схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения.
Входное напряжение распределяется между балластным резистором Rб и стабилитроном: Uвх – Urб + Uст (1)
где Urб- (Iст+Iн)Rб – падение напряжения на балластном резисторе Rб при протекании токов стабилизатора Iст и нагрузки Iн. Если перейти к приращениям напряжений и считать, что приращение DUст = 0, получим:
DUвх = DUrб = DIстRб (2)
При изменении входного напряжения на Uвх стабилитрона изменяется на DUвх/R, а напряжение на выходе Uвых – Uст остается постоянным. Параметрические стабилизаторы обладают существенными недостатками,, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки (Iн = Iст.ном).
2. Компенсационный стабилизатор напряжения на транзисторах.
Существенно повысить качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой автоматические регуляторы, в которых выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Возникший при этом сигнал рассогласования усиливается и управляет регулирующим элементом стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение достигло заданного эталонного уровня. В качестве источника опорного напряжения обычно используется параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки. Принципиальная схема транзисторного компенсационного стабилизатора последовательного типа приведена на рис.2.
Рис.2. Схема транзисторного компенсационного стабилизатора последовательного типа.
Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1. С ростом величины |Uвх| выходное напряжение возрастает по абсолютной величине, что ведет к возрастанию U1. Значит между базой и эмиттером транзистора VT2 возникает сигнал рассогласования, который усиливается и подается на вход транзистора VT1. Напряжение база-эмиттер транзистора VT1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления этого транзистора постоянному току, а следовательно к увеличению падения напряжения на нем. Выходное напряжение уменьшается, стремясь к тому, чтобы напряжение рассогласования, возникшее на переходе база-эмиттер VT2, стало первоначальным. Плавная регулировка выходного напряжения производится с помощью делителя R1-R2-R3. Перемещением движка резистора R2 создается начальное рассогласование, которое определяет степень закрытия или открытия транзистора VT1. Следовательно, задается уровень выходного напряжения, так как согласно правилу Киргхофа:
Uвх = UVT1+Uвых (3)
Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются: 1) коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности: (4)
2) коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора DUвх/Uвх к относительному приращению напряжения на выходе DUн/Uн. При постоянной нагрузке коэффициент стабилизации равен:
Кст = (DUвх/Uвх)/(DUн/Uн). (5)
3) выходное сопротивление стабилизатора, равное отношению приращения напряжения на выходе стабилизатора DUн к приращению тока нагрузки DIн:
, (6) при постоянном входном напряжении Uвх=const. При питании усилителей выходное сопротивление стабилизатора создает паразитные обратные связи через источник, приводящие к изменению параметров усилителей и даже к самовозбуждению усилителей. Поэтому выходное сопротивление стабилизатора желательно снижать. Компенсационный стабилизатор напряжения уменьшает и пульсации выпрямителя, ослабляя переменные составляющие выходного напряжения, так как пульсации также проявляются как нестабильность входного напряжения.
3. Расчет простого компенсационного стабилизатора на транзисторах В данной схеме (рис.2) отсутствует источник стабильного напряжения, от которого должно подаваться постоянное напряжение на базу регулируемого транзистора VT1. Поэтому резистор Rк2, который входит в состав делителя напряжения для смещения транзистора VT1, соединяется с источником нестабильного напряжения Uвх. Такое соединение приведет к некоторому уменьшению коэффициента стабилизации Kст. 1. Расчет начнем с выбора транзистора VT1 по требуемым значениям Iнmnax, Uвых. Определим минимальное входное напряжение:
Uвх.min = Uвых+DUвых + ½Uкэ min½, (7)
где ½Uкэ min½ - минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT1, при котором его работа не заходит в область насыщения. Для мощных транзисторов, которые используются в качестве регулирующего элемента ½Uкэ min½ = 1-3 В. При расчете принимают ½Uкэmin½ = 3 В. Учитывая допустимые изменения входного напряжения DUвх, находим номинальное и максимальное значения входного напряжения: Uвх=Uвых min+DUвх Uвх max = Uвх+DUвх (8) Определяем максимальное напряжение Uкэ max и максимальную мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе: ½Uкэ max½ = Uвх max - Uвых.min Pк max = ½Uкэ max½Iн (9) По этим значениям выбираем тип транзистора VT1. 2. Для создания опорного напряжения Uоп выберем стабилизатор типа Д814А с параметрами Uст=Uоп=8 В, Rg=6 Ом, Iст.ном=20 mA. 3. Определим максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT2:
Uкэ max=Uн max-Uоп (10)
Исходя из условия Uкэ max =Uк max.доп выбираем тип транзистора VT2 с достаточно высоким коэффициентом усиления по току. 4. Учитывая, что через балластный резистор Rб протекает ток Iст ном – Iк2 найдем сопротивление Rб, предварительно задавшись Iк2: (11) Ток коллектора покоя Iк2 выбирается по методике расчета режима транзисторного каскада, приведенного в лабораторной работе №1. 5. Учитывая очевидные равенства IRк2=Iк2+Iб1 и Iб1=Iк2max(h21+1) определим сопротивление коллекторной нагрузки транзистора VT2: (12) обеспечивающее нормальную работу схемы при максимальном токе нагрузки. 6. Если считать, что когда движок потенциометра R2 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение Uнmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда из уравнений, составленных по законам Кирхгофа и Ома:
½Uнmin - Uоп½ = IделR1, ½Uоп½ = IделR3 ½Uнmax - Uоп½ = Iдел(R1+R2)
Задавшись током делителя Iдел = 10Iб2 получим значения R1, R2, R3.
Задание к работе:
1. По заданным значениям тока нагрузки Iн, выходного стабилизированного напряжения Uвых и его допустимой нестабильности DUвых рассчитать компенсационный стабилизатор напряжения по приведенной выше методике для схемы, приведенной на рис.2. 2. Соберите компенсационный стабилизатор напряжения на макетной схеме и определите экспериментально режим работы транзисторов. 3. Сравните результаты измерений с расчетными значениями и объяснить результаты. 4. Экспериментально определите коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора напряжения. Для чего в качестве источника входного напряжения используйте выпрямитель с регулируемым выходным напряжением. 5. Изменяя сопротивление нагрузки на выходе стабилизатора, убедитесь, что выходное напряжение также остается постоянным.
Контрольные вопросы: 1. Приведите схему параметрического стабилизатора напряжения и объясните принцип его работы. Перечислите недостатки параметрических стабилизаторов напряжения и обоснуйте их. 2. Приведите простейшую схему компенсационного стабилизатора и объяснить принцип работы. 3. Объясните принцип стабилизации выходного напряжения, рассматривая работу транзисторов как усилительных элементов. Укажите цепи смещения как для транзистора VT1 и VT2. 4. От чего зависят коэффициенты стабилизации параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения? Ответ обоснуйте. Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|