 |
Основные теоретические сведения
|
|
|
|
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
Кафедра промышленной кибернетики
И систем управления
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО
СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Инструкция к лабораторной работе
по дисциплине «Общая электротехника и электроника, ч.2»
для студентов специальности 220301 и направления 220200
Магнитогорск
Составитель Ю.С. Артамонов
Исследование параметрического стабилизатора напряжения: Инструкция к лабораторной работе по дисциплине «Общая электротехника и электроника, ч.2» для студентов специальности 220301. Магнитогорск: МГТУ, 2008. 10 с.
В инструкции приводятся основные теоретические сведения о параметрическом стабилизаторе напряжения, схемотехника стабилизатора, описание специализированной лабораторной установки для исследования стабилизатора, методика и последовательность операций при экспериментальном определении параметров стабилитрона и стабилизатора. Лабораторная работа рассчитана на 4 ч. Инструкцию можно использовать для самостоятельной работы.
Рецензент: доцент. к.т.н. Леванов В.В.
© Ю.С. Артамонов, 2009
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Цель работы: экспериментально получить вольт-амперную характеристику полупроводникового стабилитрона и вычислить его динамическое и статическое сопротивления в различных участках характеристики; исследовать параметры параметрического стабилизатора напряжения и определить коэффициенты стабилизации при различных токах нагрузки.
|
|
|
Приборы и материалы: специализированная лабораторная установка, включающая источник питания, набор резисторов, амперметр, вольтметры.
Основные теоретические сведения
Питание электронной аппаратуры обычно осуществляется стабилизированным напряжением. Причинами нестабильности питающего напряжения могут быть колебания напряжения и частоты сети, изменения нагрузки, пульсации выпрямленного напряжения. Основными параметрами стабилизаторов являются:
 |
коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности
 |
коэффициент стабилизации, определяемый или как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора DUвх/Uвх к относительному приращению напряжения на нагрузке DUн/Uн при постоянной нагрузке
 |
или просто как отношение величины приращения напряжения на входе стабилизатора DUвх к вызванному им приращению напряжения на выходе стабилизатора DUвых
 |
выходное сопротивление, показывающее, во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора DUн при изменении тока нагрузки при постоянном входном напряжении
Схема простейшего стабилизатора, называемого параметрическим, приведена на рис. 1. Свойства этого стабилизатора определяются, в основном, параметрами стабилитрона VD. В этой схеме колебания входного напряжения Uвх или тока нагрузки Iн приводят только к изменению тока через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне Uст, подклю-чённом параллельно наг-рузке, изменяется мало.
Входное напряжение схемы Uвх распределяется между балластным резистором Rб и стабилитроном VD:
Uвх = URб + Uст,
где URб = (Iст + Iн)Rб – падение напряжения на резисторе Rб от протекания токов стабилитрона Iст и нагрузки Iн.
Падение напряжения на стабилитроне Uст определяется вольт-амперной характеристикой стабилитрона (рис. 2) и в пределах рабочего участка от Iст. мин до Iст. макс мало зависит от тока Iст. При использовании стабилитрона в схеме параметрического стабилизатора напряжения используется обратная ветвь его характеристики. Рабочим участком АБ 
является её часть, соответствующая обрати-мому электрическому пробою и ограниченная максимальным Iст.макс и минимальным Iст. мин токами.
|
|
|
Параметрами стабили-трона являются:
напряжение стабили-зации Uст – напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации Iст, в пре-делах рабочего участка АБ изменяющееся мало;
минимальный ток стабилизации Iст. мин – наи-меньший ток, при котором сохраняется устойчивое состояние пробоя;
максимальный ток стабилизации Iст. макс – наибольший ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимого значения Pмакс:
превышение Iст. макс приводит к тепловому пробою pn -перехода и разрушению стабилитрона;
 |
динамическое сопротивление rдин – отношение приращения напряжения стабилизации DUст к вызвавшему его малому приращению тока DIст:
rдин непостоянно в пределах рабочего участка АБ, чем оно меньше, тем лучше осуществляется стабилизация; обычно rдин измеряется на пульсирующем токе;
 |
статическое сопротивление Rстат – сопротивление стабилитрона в рабочей точке Р при постоянном токе:
температурный коэффициент напряжения aст характеризует изменение в процентах напряжения стабилизации при изменении температуры кристалла стабилитрона на 1°С.
Выпускаемые промышленностью кремниевые стабилитроны имеют напряжение стабилизации в пределах 3…200 В, минимальный ток стабилизации от менее чем 1 мА до 50 мА, максимальный ток стабилизации от 2 мА до 2 А, динамическое сопротивление 0,5…500 Ом.
Для вычисления коэффициента стабилизации заменим принципиальную схему стабилизатора по рис. 1 эквивалентной ей схемой по рис. 3, где стабилитрон представлен как источник напряжения Uст, включённый последовательно с динамическим сопротивлением rдин.
 |
Найдём соотношение между изменениями напряжения на входе DUвх и на выходе DUвых стабилизатора. Для токов имеем соотношения:|
|
|
 |
Отсюда получаем:
 |
Разрешая относительно Iвх, получим:
Для выходного напряжения имеем:
 |
 |
или, с учётом найденного значения Iвх, получаем:
 |
Если подставить в это выражение Uвх+DUвх и Uвых+DUвых, а затем вычесть Uвых, получим:
 |
откуда после несложных преобразований определяем коэффициент стабилизации Kст:
Следовательно, при заданной нагрузке изменение напряжения на выходе по сравнению с изменением напряжения на входе тем меньше, чем больше Rб (и, следовательно, Uвх) и чем меньше rдин. Обычно в параметрических стабилизаторах Кст составляет 10…100.
Лабораторная установка
 |
Принципиальная схема лабораторной установки изображена на рис. 4. Она включает в себя источник питания ИП с возможностью регулирования входного напряжения Uвх в пределах 9...18 В; вольтметры V1 для измерения напряжения Uвх и V2 для измерения напряжения на стабилитроне VD и нагрузке Rн, амперметр А для измерения тока Iвх, три балластных резистора Rб, переключаемых с помощью SA1, шесть резисторов нагрузки, переключаемых с помощью SA2.
Для уменьшения погрешности измерения напряжения вольтметр V1 имеет шкалу, начинающуюся с 8 В, т.е. отметке «0» на шкале вольтметра соответствует напряжение 8 В, а отметке «100» – напряжение 18 В.
Положения переключателей SA1, SA2 и соответствующие им пределы измерения тока амперметром и величины сопротивлений балластных резисторов и резисторов нагрузки приведены в таблице.
 |
Ток нагрузки вычисляется по закону Ома как частное от деления показаний вольтметра V2 на сопротивление резистора подключённой нагрузки.
Выполнение работы
1. Экспериментально получить точки и построить статическую характеристику стабилитрона Д815Д. Для этого:
отключить нагрузку переключателем SA2;
последовательно в положениях переключателя SA1 «1», «2», «3», изменяя напряжение Uвх, получить точки статической характеристики, измеряя ток стабилитрона амперметром А и напряжение на стабилитроне вольтметром V2; обязательно получить точки характеристики при токах стабилитрона 20 мА, 25 мА, 30 мА, 80 мА, 100 мА, 120 мА, 160 мА, 200 мА, 250 мА, 300 мА, 350 мА, 390 мА, 440 мА, 490 мА; опытные данные свести в таблицу, построить график для обратной ветви характеристики стабилитрона, аналогичный графику на рис. 2;
|
|
|
вычислить статическое сопротивление стабилитрона Rстат в опытных точках статической характеристики, результаты представить в таблице и на графике;
при токах 25 ± 5 мА, 100 ± 20 мА, 160 ±40 мА, 300 ± 50 мА, 440 ± 50 мА по полученным опытным данным вычислить динамическое сопротивление rдин, результаты дать в таблице и на графике.
При различных токах нагрузки, переключая нагрузочные резисторы переключателем SA2 и изменяя величину сопротивления балластного резистора переключателем SA1, измерить коэффициент стабилизации исследуемого параметрического стабилизатора напряжения. Для этого следует выполнить следующие операции.
а) По вольтметру V1 установить входное напряжение стабилизатора равным 16 В;
переключателем SA1 подключить балластный резистор Rб1;
переключателем SA2 подключить резистор нагрузки Rн1;
измерить амперметром А входной ток стабилизатора;
измерить выходное напряжение вольтметром V2, вычислить ток нагрузки и ток через стабилитрон;
по вольтметру V1 увеличить входное напряжение до 17 В;
вновь измерить выходное напряжение вольтметром V2;
вычислить коэффициент стабилизации как отношение изменения входного напряжения к изменению выходного напряжения;
пользуясь полученным ранее графиком зависимости динамического сопротивления стабилитрона от тока через него по приведённой выше формуле рассчитать значение коэффициента стабилизации и сравнить его с опытным.
б) Проделать такие же операции и вычисления для других значений сопротивления резисторов нагрузки. При этом следует при подключении резисторов нагрузки Rн2 и Rн3 включить балластный резистор Rб2, а при подключении резисторов нагрузки Rн4, Rн5, Rн6 включить балластный резистор Rб3.
в) Для токов нагрузки, изменяющихся в пределах от 100 до 500 мА, рассчитать выходное напряжение стабилизатора.
г) Полученные опытные и расчётные данные свести в таблицу и построить графики зависимости коэффициента стабилизации от тока нагрузки.
д) Сделать выводы по работе, в которых сравнить полученные в опытах результаты прямого измерения коэффициента стабилизации и результаты расчёта по опытным значениям динамического сопротивления с ожидаемыми из теоретического рассмотрения данного вопроса.
Оформление отчёта
Отчёт должен содержать:
- цель работы;
- основные определения и теоретические сведения, необходимые для осмысления материала, для проведения опытов и расчётов;
|
|
|
- принципиальные схемы параметрического стабилизатора и лабораторной установки;
- описание проведения опытов;
- опытные и расчётные данные в виде таблиц и графиков;
- выводы по работе, в которых должны быть оценены погрешность при проведении опытов и близость полученных результатов к ожидаемым из теоретического рассмотрения вопроса.
Вопросы для самопроверки
1. Перечислить и определить основные параметры стабилизатора напряжения.
2. Нарисовать принципиальную схему параметрического стабилизатора напряжения.
3. Нарисовать статическую характеристику полупроводни-кового стабилитрона и определить её характерные точки.
4. Дать определение основным параметрам стабилитрона.
5. Вывести формулу, связывающую коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения с параметрами принципиальной схемы и стабилитрона.
6. Объяснить зависимость коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора напряжения от параметров стабилитрона и нагрузки.
Библиографический список
1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб.: КОРОНА принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с., ил.
2. Браун М. Источники питания. Расчёт и констру-ирование.: Пер. с англ. – Киев.: «МК-Пресс», 2005. – 288 с., ил.
3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка – ХХΙ», 2005. – 528 с.
|
|
|
