Методические указания по организации самостоятельной работы студентов

 

При подготовке к выполнению работы следует самостоятельно изучить соответствующие разделы учебников [1, 2, 3, 5].

Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, обеспечивающее поддержание на его выходе напряжения (тока) с заданной точностью при изменении входного напряжения или нагрузки в заданных пределах.

Нестабильность выходного напряжения (тока) схемы выпрямления зависит от так называемых дестабилизирующих факторов, которые могут быть определены из следующих соотношений:

; .

 

Эти факторы таковы:

- нестабильность напряжения сети;

- изменение сопротивления нагрузки;

- изменение внутреннего сопротивления вентиля;

- изменение фазности схемы при отключении одного из вентилей.

Кроме того, следует еще учесть и влияние на параметры ВИЭП температуры, которая тоже может изменяться.

Различают два способа стабилизации: параметрический и компенсационный. В параметрическом стабилизаторе постоянство напряжения (тока) поддерживается путем изменения параметров (сопротивления) стабилизирующего элемента. Эквивалентная схема параметрического стабилизатора напряжения (ПСН) содержит линейный (ЛЭ) и нелинейный элемент (НЭ), причем НЭ включается параллельно нагрузке (рис. 3.1).

Используя знания, полученные ранее, необходимо начертить вольтамперные характеристики нелинейных элементов, используемых в ПСН и ПСТ: стабиливольтов, стабилитронов, транзисторов, бареттеров.

Рисунок 3.1 - Структурные схемы: а, б – ПСН; в – ВАХ ПСН.

 

ПСН широко используется в устройствах электропитания, поэтому важно прочно усвоить физические процессы стабилизации, эксплуатационные особенности ПСН.

Основные трудности в понимании процессов параметрической стабилизации заключается в том, что на участке стабилизации входной ток остается практически неизменным, потому что при увеличении на такую же величину уменьшается . Это можно доказать построением вольтамперной характеристики ПСН.

Важнейшее свойство ПСН – его способность фильтровать пульсирующее входное напряжение, поскольку на участке стабилизации он эквивалентен Г-образному CR-фильтру, в котором роль емкости конденсатора играет малое сопротивление стабилитрона по переменному току.

Улучшение эксплуатационных качеств ПСН достигается подключением к нему сопротивления нагрузки через эмиттерный повторитель так же, как и в Г-образном RC-фильтре (рис. 3.2).

 

Рисунок 3.2 - ПСН с эмиттерным повторителем

 

Чтобы четче представить себе, какие расчетные соотношения имеют место в ПСН, следует рассмотреть обобщенную схему стабилизатора напряжения, а также электрическую и эквивалентную схемы ПСН (рис. 3.3).

Рассматривая стабилизатор напряжения (как и сглаживающий фильтр) в виде четырехполюсника (рис.3.3а), определим его коэффициент стабилизации как отношение:

.

Составляющие, входящие в , определяют свойство стабилизатора как фильтрующее устройство, поскольку отношение , а также как

устройство, потребляющее входную мощность в процессе своей работы, так как . Таким образом, , т.е. любой стабилизатор напряжения является сглаживающим фильтром, который может быть представлен двумя эквивалентными схемами: по переменному () и постоянному () току.

Электрическая схема ПСН (рис.3.3б) состоит из эквивалентной схемы по переменному (рис. 3.3в) и постоянному (рис. 3.3г) току.

а

б

в

г

Рисунок 3.3 - Обобщенная схема стабилизатора напряжения и параметрические стабилизаторы напряжения.

 

Из первой эквивалентной схемы найдем:

.

Вторая эквивалентная схема позволяет определить:

.

 

Для ПСН рис. 3.3 б очевидны соотношения по постоянному току, характеризующие статический режим стабилизатора ; .

Используя эти соотношения, можно выполнить графические построения, поясняющие принцип работы ПСН. На рис. 3.4 приведено указанное построение. Здесь имеется вольтамперная характеристика стабилитрона с исходной рабочей точкой а, указывающей на величину и . Входное напряжение . Величину гасящего резистора можно определить из соотношения: . На рис. 3.4б показана внешняя характеристика ПСН с исходной рабочей точкой а.

Если произошло увеличение тока на , то рабочая точка стабилизатора сместится в точку б. Напряжение на выходе стабилизатора несколько уменьшится (это уменьшение определяется наклоном участка а-б стабилитрона, пропорционального ), ток стабилитрона также уменьшится на . При дальнейшем увеличении происходит срыв стабилизации, так как рабочая точка стабилитрона переместится в точку в (область большого значения ). На данном участке характеристики стабилитрона не происходит компенсации увеличения уменьшением , входной ток резко возрастает, что может служить индикатором срыва стабилизации. Срыв стабилизации можно также зафиксировать с помощью электронного осциллографа, который покажет возрастание пульсаций на выходе ПСН в режиме срыва.

При нормальных условиях работы ПСН степень ослабления пульсаций на выходе целиком определяется наклоном вольтамперной характеристики стабилитрона, а также зависит от величины гасящего резистора . Уменьшение величины входного напряжения ПСН либо возрастание пульсаций на его входе приводит к тому, что в определенные моменты времени стабилитрон переходит в режим работы, когда его динамическое сопротивление становится большим и, вследствие этого, на нагрузке стабилизатора резко возрастают пульсации.

Учитывая, что ПСН и КСН обладают сглаживающими свойствами, необходимо использовать методику исследования транзисторных СФ лабораторной работы 2.

Основным показателем исследуемых стабилизаторов напряжения является их коэффициент стабилизации, а также интервал стабилизации, под которым понимают протяженность участка стабилизации зависящего от тока нагрузки стабилизатора.

 

Рисунок 3.4 - Графическое представление работы ПСН.

Фильтрующие свойства ПСН демонстрируются построением рис. (3.5).

Рисунок 3.5 - Фильтрующие свойства ПСН.

 

В параметрическом стабилизаторе напряжения расширение интервала стабилизации возможно при помощи:

1. Увеличения входного напряжения;

2. Уменьшения гасящего резистора;

3. Применения стабилитрона с большим током;

4. Использования составного транзистора (рис. 3.2).

 

Рисунок 3.6 - Способы расширения интервала стабилизации ПСН.

 

В компенсационном стабилизаторе напряжения определяющим фактором расширения интервала стабилизации является выбор выходного транзистора схемы Дарлингтона, работающего в режиме эмиттерного повторителя.

Необходимо возобновить в памяти сведения о свойствах эмиттерного повторителя на составном транзисторе, использование которого в схемах параметрического ПСН и компенсационного КСН стабилизаторов напряжения существенно улучшает их параметры.

Анализируя особенности работы ПСН, их возможные области применения, не следует забывать, что основное назначение параметрического стабилизатора – служить опорным (эталонным) источником напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Переходя к изучению КСН, важно уяснить его структурную схему, поскольку к ней можно свести компенсационные стабилизаторы напряжения любой сложности.

В отличие от ПСН в КСН нелинейный регулирующий элемент (РЭ), включен последовательно с нагрузкой, причем сопротивление РЭ изменяется в зависимости от изменения выходного (или входного) напряжения с помощью цепи отрицательной обработки связи, в которую включен управляющий элемент, играющий также роль сравнивающего устройства. Эталонным источником напряжения служит ПСН, подключенный к сравнивающему устройству (рис. 3.7б).

Схема КСН представляет собой эмиттерный повторитель на составном транзисторе VT1 и VT2, который охвачен цепью обратной связи, состоящей из реостатного делителя R3 и усилителя постоянного тока УПТ на VT3 с коллекторной нагрузкой R1. Источником эталонного напряжения УПТ служит параметрический стабилизатор напряжения на R2 и VD1.

Рассмотрим какие потенциалы приложены к базово-эмиттерным переходам транзисторного КСН в исходном, статическом состоянии.

 

а

б

Рисунок 3.7 - Электрические схемы исследуемых ПСН и КСН.

 

К базе VT3 приложено напряжение положительной полярности, снимаемое с движка реостатного делителя R3. Эмиттер VT3 находится под положительным потенциалом , создаваемым ПСН. Таким образом, результирующий потенциал, приложенный к базово-эмиттерному переходу VT3 , равен . Транзистор VT3 должен быть открыт для обеспечения процесса стабилизации, поэтому .

Смещение на базе VT1 равно разности напряжений , причем падение напряжения на R1 , где - коллекторный ток VT3. Смещение на базе VT1 равно , а эта сумма напряжений примерно равна , так как , где и составляют доли вольта.

Следовательно, в исходном, статическом, состоянии все транзисторы КСН находятся в открытом состоянии и их рабочие точки расположены примерно на середине их вольтамперных характеристик.

В режиме регулирования, в динамическом режиме всякое изменение , или приводит к изменению напряжения смещения на движке R3, что в свою очередь приводит к изменению коллекторного тока и к изменению смещения . Это влечет за собой изменение тока и обеспечивает стабилизацию.

Поскольку схема КСН охвачена отрицательной обратной связью, то в динамическом режиме смещение на базах VT3 и VT1 будет изменятся в противоположных направлениях: при отпирании VT3 запирается VT1 и наоборот. В КСН возможно возникновение генерации, если отрицательная обратная связь превращается в положительную при четном числе транзисторов в УПТ, либо при наличии паразитных обратных связей в схеме.

Регулируя смещение на базе VT3 с помощью R3, можно плавно изменять

. Для уменьшения необходимо движок R3 перемещать вверх (отпереть VT3 и запереть VT1), для увеличения - вниз.

Существенный недостаток КСН с непрерывным регулированием – его сравнительно невысокий КПД, равный 40-60%. Это объясняется тем, что регулирующий транзистор VT1 – VT2, находясь в открытом состоянии, непрерывно потребляет мощность, что снижает КПД КСН. Существенного увеличения КПД можно достичь переводом регулирующего транзистора в импульсный режим работы. В [3] подробно изложены принципы импульсного управления КСН, рассмотрены схемы широтно-импульсного и релейного регулирования.

Исследуя схемы полупроводниковых стабилизаторов напряжения, следует помнить, что при увеличении тока нагрузки в ПСН или в КСН на момент срыва стабилизации могут возрастать пульсации на нагрузке, хотя вольтметр, измеряющий выходное напряжение , может не давать заметных отклонений.

Методика исследования ПСН и КСН включает измерение их и снятие внешних характеристик.

Необходимо выполнить индивидуальное задание по расчету режима работы ПСН (исходные данные приведены в табл. 3.1).

Таблица 3.1.

Вариант расчета
, В	8,2	8,4	9,1	10,2				7,4	9,4	8,2
, мА
, мА
, Ом
	0,25	0,26	0,3	0,25	0,2	0,2	0,3	0,35	0,2	0,2

Следует подготовить бланк отчета, занести в него схемы ПСН и КСН, таблицы.

Сделать расчет параметров ПСН согласно ниже приведенным формулами:

Входная мощность стабилизатора: ;

Входное напряжение ПСН: ;

Сопротивление гасящего резистора: ;

Коэффициент фильтрации стабилизатора: ,

где и - напряжения пульсации на входе и выходе ПСН;

Коэффициент стабилизации ПСН: ;

Эквивалентная емкость стабилитрона VD1 на участке стабилизации:

(мкФ).

Результаты расчета занести в табл. 3.2 для экспериментальной проверки.

Таблица 3.2

Параметры	, В	, мА	, В	, мА				, Ом	, Ом	Сэкв, мкФ
Расчет
Эксперимент: ПСН
КСН