Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРА
ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Цели работы:
1. Исследование схем стабилизаторов постоянного напряжения с непрерывным регулированием.
2. Исследование основных характеристик стабилизатора: коэффициента стабилизации и выходного сопротивления – в зависимости от коэффициента усиления в цепи обратной связи. Исследование температурной нестабильности выходного напряжения стабилизатора.
3. Изучение схем защиты стабилизатора от перегрузки по току.
4. Приобретение навыков экспериментального определения параметров стабилизатора.
Программа выполнения работы
Ознакомиться с расположением органов управления стендом и включить его. Номинальное значение входного напряжения Uвх ном =15 В.
1. Исследование параметрического стабилизатора (без УПТ) с линейным балластным резистором.
Переключатели установить в следующие положения: S 1 – 1, S 2 - 2, S 3 разомкнут - “Выкл” (светодиод не светится), S 4 замкнут - “Вкл” (светодиод светится), Rн в положение "6".
1.1. Снять зависимость напряжений на стабилитроне U б и на нагрузке U н, токов базы регулирующего транзистора I б, балластного резистора I 0 и стабилитрона I стаб = I 0 – I б от напряжения на входе стабилизатора U вх:
U б, U н, I б, I 0, I стаб = f (U вх). Сопротивление нагрузки R н в процессе эксперимента не изменять (положение переключателя нагрузки 5 или 6).Входное напряжение изменять в пределах от минимального до 18В. Построить графики. При Uвх=15 В вычислить сопротивление балластного резистора R 3 = (U вх – U б)/ I 0.
По графику определить диапазон изменения входного напряжения стабилизатора, в пределах которого наблюдается эффект стабилизации напряжений U б, U н. По данным, полученным в ходе эксперимента, на участке стабилизации по соотношению (1) определить коэффициент стабилизации выходного напряжения U н и коэффициент стабилизации внутреннего параметрического стабилизатора с выходным напряжением U б в соответствии с равенствами:
KU 1 = (D U вх/ U вх)/(D U н/ U н); KU 2 = (D U вх/ U вх)/(D U б/ U б) 
,
где U вх, U н, U б – средние значения соответствующих напряжений на участке стабилизации при отклонении D U вх/ U вх= (0,1 … 0,15). Rб = R 3 , rд = D U б/D I c – динамическое сопротивление стабилитрона.
Для выполнения п.1.2 установить входное напряжение Uвх=15 В.
1.2. Снять зависимости напряжений U б, U н и токов I б, I 0, I стаб от тока нагрузки I н, изменяемого переключением сопротивления нагрузки R н. Входное напряжение стабилизатора поддерживать неизменным. Построить графики U б, U н, I б, I 0, = f (I н). По данным эксперимента вычислить выходные сопротивления стабилизаторов R вых 1 = -D U н/D I н.
2. Исследование параметрического стабилизатора (без УПТ) с нелинейным токостабилизирующим двухполюсником.
Переключатели установить в следующие положения: S 1 – 2, S 2 - 2, S 3 - разомкнут, S 4 замкнут. При входном напряжении Uвх=15 В потенциометром R 2 установить ток I 0 = 0,9 … 1,6 мА.
Повторить пп.1.1 и 1.2 исследований. По данным экспериментов рассчитать и построить вольт-амперную характеристику нелинейного токостабилизирующего двухполюсника: I 0 = f (U вх – U б). Вычислить динамическое сопротивление нелинейного двухполюсника R дин в рабочей области. Сопоставить с отношением R дин/ R 3 степень изменения коэффициента стабилизации и выходного сопротивления стабилизатора при замене линейного балластного резистора нелинейным сопротивлением.
3. Исследование компенсационного стабилизатора с УПТ в цепи обратной связи и линейной нагрузкой УПТ.
Переключатели установить в следующие положения: S 1 – 1, S 2 - 1, S 3 - разомкнут, S 4 замкнут, E эт – 2.
При U вх = 15В потенциометром обратной связи R 12 (U ос) установить выходное напряжение в пределах 7 – 8 В (близкое с наблюдаемым в пп.1,2).
3.1. Снять зависимости напряжения на нагрузке U н, тока I 0 через балластный резистор, тока базы транзистора VT 4 I б от напряжения на входе стабилизатора U вх (напряжение изменять в пределах 12 – 18 В). Сопротивление нагрузки R н в процессе эксперимента не изменять (положение 5 или 6). Построить графики: U н, U б, I 0, I б,η = f (U вх), при вычислении КПД (η) считать входной ток стабилизатора равным выходному. По данным эксперимента в рабочей области стабилизации вычислить коэффициент стабилизации по напряжению.
3.2. Снять зависимость напряжения U н, токов I 0, I б, от тока нагрузки I н, изменяемого переключением сопротивления нагрузки R н. Входное напряжение стабилизатора поддерживать постоянным U вх=15В. Построить графики:
U н, U б, I 0, I б,η = f (I н). По данным эксперимента вычислить выходное сопротивление стабилизатора R вых = -D U н/D I н.
4. Исследование компенсационного стабилизатора с УПТ в цепи обратной связи и с токостабилизирующим двухполюсником в цепи нагрузки УПТ.
Переключатели установить в следующие положения: S 1 – 2, S 2 - 1, S 3 - разомкнут, S 4 замкнут. Потенциометром R 2 установить ток I 0 = 0,9 … 1,6 мА.
Повторить эксперимент, описанный в пп. 3.1 и 3.2. Сопоставить с отношением R дин/ R 3 степень изменения коэффициента стабилизации и выходного сопротивления стабилизатора при замене линейной нагрузки УПТ нелинейной.
5. Исследование схем защиты стабилизатора.
Установить переключатели в следующие положения: S 1 – 2, S 2 – 1. Сопротивление нагрузки – в положение 2. Установить входное напряжение U вх =16 В, а потенциометром обратной связи R 12 (U ос) – значение выходного напряжения примерно 10…11 В.
Снять нагрузочные характеристики стабилизатора (т. е. зависимость U н = f (I н) при изменении сопротивления нагрузки R н) и построить графики для следующих вариантов схемы защиты:
– низкое сопротивление датчика тока R д.т и отсутствие связи по напряжению: (переключатели S 4 замкнут, S 3 – замкнут);
– высокое сопротивление датчика тока R д.т и отсутствие связи по напряжению (переключатели S 4 разомкнут, S 3 – замкнут);
– высокое сопротивление датчика тока R д.т и наличие связи по напряжению (переключатели S 4 разомкнут, S 3 – разомкнут).
6. Исследование чувствительности выходного напряжения к величине напряжения E эт в режиме стабилизации напряжения.
Переключатель S 1 установить в положение 2, а S 2 – в положение 1. Положения переключателей S 3 – разомкнут, S 4 замкнут.
При постоянных значениях напряжения на входе стабилизатора (U вх =15 В) и сопротивления нагрузки (положение переключателя R н 5 или 6), установить потенциометром R12 (U ос) выходное напряжение U н примерно 8 В.
Снять зависимость приращения напряжения на нагрузке D U н от значения приращения эталонного напряжения D E эт (переключатель E эт), поступающего на вход схемы сравнения; рассчитать отношение (D E эт/ E эт)/(D U н/ U н), определяющее чувствительность стабилизатора к напряжению E эт.
7. Моделирование температурной нестабильности выходного напряжения стабилизатора.
Переключатели установить в следующие положения: S 1 – 1 или 2, S 2 - 1, S 3 разомкнут, S 4 замкнут.
При входном напряжении U вх =15 В и сопротивлении нагрузки, соответствующем положению 5 или 6 переключателя R н, потенциометром R 12 (U ос) установить выходное напряжение примерно 8 В.
Снять зависимость дрейфа напряжения на нагрузке U н от времени при прогреве сначала одного из транзисторов дифференциального усилителя УПТ, затем обоих транзисторов (включить подогрев второго без отключения подогрева первого). На каждом из этих режимов с интервалом 20 – 30 сек. снять по 3 – 4 отсчета напряжения на нагрузке U н. Затем выключить подогрев обоих транзисторов и записать показания напряжения на нагрузке U н в течение 1 – 2 мин. Результаты эксперимента представить в виде единого графика Uн (t). Определить температурные погрешности стабилизации для каждого из участков: δ U T = | D U н max/ U н |.
Содержание отчета
1. Принципиальная схема макета.
2. Таблицы экспериментальных данных. Графики экспериментальных зависимостей.
3. Краткие выводы.
Контрольные вопросы
1. В чем отличие схемы компенсационного стабилизатора тока от схемы стабилизатора напряжения?
2. Как изменяется напряжение на выходе компенсационного стабилизатора при изменении напряжения на входе, сопротивления нагрузки, напряжения эталонного источника, коэффициента передачи цепи обратной связи, температуры элементов схемы?
3. Почему введение токостабилизирующего двухполюсника в коллекторную цепь усилительного каскада приводит к значительному росту коэффициента стабилизации и с снижению выходного сопротивления стабилизатора?
4. Какие параметры стабилизатора улучшаются при использовании в его составе дифференциального УПТ?
5. Объяснить работу схемы защиты стабилизатора.
Объясните назначение элементов электрической принципиальной схемы лабораторного макета.