хранения 
, при 
= 6800 пф
Для этого при заданном входном сигнале 
(таблица 1) перевести УВХ в режим хранения, отключив перемычку в точке а, и сразу измерить спад выходного напряжения 
= 
за первые 5 секунд. Определить параметр 
и результаты занести в таблицу 3.
3.6. Определить коэффициент пульсаций 
, выходного напряжения пассивного 
- фильтра
Для этого отсоединить перемычкой ключ КЗ сброса интегратора и использовать цепь 
– 
в качестве сглаживающего 
-фильтра.
Подав заданное входное напряжение , измерить переменную 
и постоянную 
составляющие напряжения на конденсаторе . Коэффициент пульсаций определить из выражения 
Результаты занести в таблицу 3.
3.7. Снять осциллограммы переходных процессов RC -фильтра
Для этого при снятых перемычках повторить операции п. 3.4, подключив осциллограф к конденсатору . Результаты занести в таблицу 3.
Таблица 3
| Вид фильтра | Эксперимент | Расчет | ||||||
 , В
| , В
| 
|  , с
|  , В
|  , В/с
| 
| , с
| |
| БСФ | ||||||||
| -фильтр
|
3.8. Рассчитать теоретически параметры КП и tП исследуемых фильтров
При этом использовать выражения:
для БСФ 
, 
, (8)
для 
-фильтра 
, 
, (9)
Результаты расчетов занести в таблицу 3.
Сделать вывод по оценке параметров БСФ и -фильтра.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
В отчете привести: цель работы, исследуемую схему, осциллограммы сигналов (6x2 шт.), осциллограммы переходных процессов (2x2 шт.), таблицы измерения и расчетов - 2 шт., график статической характеристики - 1 шт., выводы по результатам работы.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1. Пояснить принцип действия БСФ, используя полученные осциллограммы сигналов.
5.2. Привести основные параметры УВХ.
5.3. Какова связь между точностью и быстродействием УВХ?
5.4. Дать сравнительную оценку быстродействия -фильтра и БСФ, подтвердив вывод полученными экспериментальными данными.
5.5. От чего зависит коэффициент пульсаций БСФ и -фильтра?
5.6. Как определить коэффициент передачи БСФ?
5.7. Чем определяется нелинейность статической характеристики БСФ?
5.8. Как влияет частота 
на коэффициент пульсаций исследуемых фильтров?
5.9. С какой частотой должны формироваться импульсы выборки 
и импульсы сброса интегратора 
в устройстве синхронизации.
5.10. С какой целью производится периодический сброс заряда 
в интеграторе?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения и тока
1. Цель работы
Изучить принцип действия, основные параметры и режимы работы компенсационных стабилизаторов напряжения и тока, а также провести экспериментальную проверку этих параметров.
2. Основные положения
2.1. Стабилизаторы напряжения и тока
Стабилизаторы напряжения и тока (СН и СТ) относятся к вторичным источникам питания и обеспечивают поддержание с заданной степенью точности выходного напряжения или тока при изменении входного напряжения и сопротивления нагрузки. СН могут также работать в качестве фильтра для уменьшения пульсаций выходного напряжения.
Наибольшая погрешность у СН возникает при коротком замыкании выхода, когда 
.
Наибольшая погрешность у СТ возникает при 
, а минимальная погрешность существует при коротком замыкании выхода (
).
Существуют параметрические и компенсационные стабилизаторы.
Параметрические стабилизаторы используют нелинейность вольт-амперной характеристики стабилитрона для СН или транзистора для СТ.
В компенсационных стабилизаторах используется принцип отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению или току, т.е. стабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования (САР).
2.2. Компенсационный последовательный СН
Функциональная схема СН показана на рисунке 2.1.
Рис. 2.1
ИОН – источник образцового напряжения. Практически – это параметрический стабилизатор с малым температурным коэффициентом напряжения. В типовой функциональной схеме САР – это задающее устройство.
УН – усилитель напряжения. В качестве УН на рисунке 2.1 показан операционный усилитель (ОУ). УН выполняет функции усилителя сигнала ошибки, повышающего точность САР.
В качестве элемента сравнения также используется ОУ, осуществляющий вычитание сигнала ООС и задающего воздействия.
РЭ – регулирующий элемент, реализуется на мощном силовом транзисторе.
ДН – делитель напряжения, выполняет функцию датчика напряжения.
2.3. Принцип действия компенсационного СН
Подключение нагрузки 
к выходу схемы или изменение тока нагрузки 
соответствует возмущающему воздействию. Возмущающим воздействием является также изменение напряжения первичного источника питания 
.
При подключении 
выходное напряжение 
в первый момент падает за счет конечного значения выходного сопротивления РЭ. Разность напряжений на входе УН при этом увеличивается: 
. Эта разность усиливается и подается на РЭ (транзистор). Транзистор РЭ открывается в большей степени и увеличивает напряжение на выходе, компенсируя тем самым влияние нагрузки. Однако восстанавливается не полностью. Ошибка регулирования при этом определяется свойствами статической САР. При изменении 
действие схемы аналогично рассмотренному.
Из ТАУ известно выражение для статической ошибки 
по возмущающему воздействию:
, где 
– возмущающее воздействие
- коэффициент передачи по возмущающему воздействию.
– коэффициент передачи прямой цепи.
= 
– коэффициент передачи цепи ОС (Рис. 2.2).
В рассматриваемой схеме СН ошибка 
.
Для повышения точности стабилизации и уменьшения статической ошибки 
необходимо увеличивать 
. Увеличению препятствует возможность возникновения автоколебаний. Практически 
. При большой глубине ОС (когда 
), выходное напряжение не зависит от и определяется выражением:
Рис. 2.2
.
В практических схемах СН предусмотрен также нелинейный блок защиты выхода от короткого замыкания или узел токоограничения.
2.4. Основные параметры СН
1) Коэффициент нестабильности по напряжению
[%]
2) Коэффициент стабилизации напряжения
3) Коэффициент сглаживания пульсаций
,где
, 
– амплитуды пульсаций напряжения на входе и выходе СН.
4) Выходное сопротивление 
.
Все рассмотренные параметры СН нормируются только в рабочем диапазоне входного и выходного напряжений и выходного тока.
При практической реализации, возможны 3 варианта выполнения схем СН:
1) полностью на дискретных элементах (транзисторы, резисторы и стабилитрон);
2) с дискретными элементами и интегральным ОУ в качестве УН;
3) полностью в интегральном исполнении.
В лабораторной работе исследуется схема СН по варианту 2 (Рис. 2.3).
В такой схеме в качестве ИОН используется чаще всего стабилитрон VD1 с балластным резистором 
, задающим номинальный ток стабилитрона.
Рис. 2.3
При изменении входного напряжения питания 
, погрешность стабилизации будет существенно зависеть от изменения напряжения на стабилитроне VD1.
Для повышения точности параметрического стабилизатора, который используется как ИОН, целесообразно использовать совместно с резистором 
транзистор VT1, работающий как стабилизатор тока.
Как показывают выходные характеристики VT1 (Рис. 2.4), изменение напряжения 
при изменении мало влияет на выходной ток 
, вследствие чего напряжение на стабилитроне практически остается неизменным.
Рис. 2.4
– ограничивает выходной ток ОУ в переходных режимах
Узел токоограничения (УТО) содержит транзистор VT2 и резистор 
.
Если ток нагрузки превышает определенное значение, то VT2 открывается и закрывает VT1, что препятствует дальнейшему увеличению Iн. Расчет 
производится по формуле:
; 
В (Si)
Вт
Недостаток УТО - бесполезные потери мощности в предельном режиме.
Вместо УТО используют также аварийное отключающее устройство.
В данной схеме обеспечивается высокий коэффициент стабилизации 
, низкое выходное сопротивление, но выделяется значительная мощность на транзисторе VT1. Для обеспечения линейного режима работы VT1, минимальное рабочее напряжение 
=4В.
2.5. Стабилизаторы тока
Компенсационные стабилизаторы тока (СТ) – это САР с ОС по току. Все функциональные элементы схемы СТ аналогичны СН, кроме датчика, в качестве которого используется низкоомный резистор 
, включенный последовательно с нагрузкой 
. Вариант схемы СТ с дискретными элементами показан на рисунке 2.5.
Рис. 2.5
VT2 – регулировочный элемент и часть усилителя;
– датчик тока нагрузки 
;
∙ 
– сигнал ОС;
VT1+ 
– усилитель сигнала ошибки.
Сигналом задания тока (образцового напряжения) 
является открывающее напряжение 
VT1. В контуре из элементов 
и БЭ VT1 осуществляется вычитание сигналов 
и 
.
Рис. 2.6
Сопротивление резистора определяется из выражения:
(Si).
При увеличении 
увеличивается падение напряжения 
на , а разность напряжений 
уменьшается. VT1 прикрывается и потенциал его коллектора увеличивается. VT2 в этом случае приоткрывается и вновь увеличивает ток . Таким образом, при стабилизации тока , автоматически регулируется напряжение 
, таким образом, чтобы при изменении ток 
оставался постоянным.
3. Порядок проведения работы
Рис. 3.1
3.1 Исследование источника опорного напряжения (схема Рис. 3.1 VT1, VD1 или с 
, VD1).
3.1.1 Определить коэффициент стабилизации напряжения 
для двух вариантов схемы источника опорного напряжения: с балластным резистором 
и полевым транзистором VT1.
Для этого с помощью перемычки подать на вход стабилизатора поочередно два уровня входного напряжения питания 
и 
, которые необходимо измерить вольтметром. Зафиксировать соответствующие значения выходного напряжения 
и 
, измеряя его на стабилитроне VD1. Все измерения произвести два раза, подключая перемычкой резистор или транзистор VD1. Произвести расчет коэффициента по формуле:
Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.1.
Таблица 3.1
| Измерения | Расчет | Вариант схемы | |||||
| 
| 
| 
| 
|
|
| |
|
| |||||||
| VT1 |
3.1.2 Определить коэффициент сглаживания пульсаций 
для двух вариантов схемы источника опорного напряжения.
Для этого подать на вход стабилизатора напряжения питания 
и зафиксировать с помощью осциллографа или вольтметра напряжение пульсаций на входе стабилизатора 
и на стабилитроне 
. Измерить также уровни постоянных составляющих напряжений на входе и на выходе 
= 
. Произвести расчет коэффициента 
по формуле:
Все результаты занести в таблицу 3.2.
Таблица 3.2
| Измерения | Расчет | Вариант схемы | |||
|
|
| 
| 
| |
|
| |||||
| VT1 |
3.2 Исследование компенсационного стабилизатора напряжения (схема VT1, VD1, 
,VT2)
3.2.1 Определить коэффициент стабилизации напряжения 
и влияние на него коэффициента усиления 
в системе автоматического регулирования стабилизатора.
Для этого подключить перемычкой источник опорного напряжения с транзистором VT1 и зафиксировать напряжения на выходе стабилизатора 
и при двух уровнях входного напряжения и . Все измерения произвести при двух значениях коэффициента усиления 
= 
/ 
=10 и 
=30000, которые устанавливать с помощью перемычки в цепи обратной связи операционного усилителя . Произвести расчет коэффициента 
по формуле:
Результаты измерений и расчета занести в таблицу 3.3.
Таблица 3.3
| Измерения | Расчет | 
| Коэф. усиления | ||||
|
|
|
|
| 
| 
| ||
| =10
| |||||||
| =30000
|
3.2.2 Определить выходное сопротивление стабилизатора 
, коэффициент сглаживания пульсаций К и влияние на него сопротивления нагрузки 
(при 
=10).
Для этого подключить перемычкой транзистор VT1, подать напряжение питания 
и зафиксировать с помощью осциллографа амплитуды пульсаций напряжений на входе стабилизатора 
и на его выходе 
. Измерить также постоянные составляющие этих напряжений и 
. Все измерения произвести как на холостом ходу (
=¥), так и с нагрузкой ( = 
=300 Ом), которую подключить соответствующей перемычкой. Произвести расчеты тока нагрузки 
, выходного сопротивления 
и коэффициента:
Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.4.
Таблица 3.4
| Измерения | Расчет | Нагрузка | |||||||
|
|
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| |
 =¥
| |||||||||
 =300
|
3.2.3 Исследовать режим работы стабилизатора напряжения.
Для этого подключить резисторы 
, 
, подать перемычкой входное напряжение питания 
и измерить вольтметром напряжение в контрольных точках схемы 
, 
, 
, . Повторить измерения 
и 
, подключив 
параллельно 
. Определить коэффициент передачи усилителя 
, эмиттерного повторителя 
, цепи обратной связи 
и рассчитать теоретическое значение выходного напряжения:
,
а также его расхождение с экспериментальной величиной:
.
Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.5.
Таблица 3.5
| Измерения | Расчет | ||||||||
| Режим |
| 
| 
|
| 
| 
| 
| 
| d |
3.3 Исследование компенсационного стабилизатора тока (схема VT4VT5).
3.3.1 Определить коэффициент стабилизации тока 
и влияние на него нагрузки 
.
Для этого подать на вход стабилизатора поочередно два уровня входного напряжения 
и 
, измерить соответствующие напряжения на нагрузке 
и 
и определить токи нагрузки 
и 
по формуле 
при 
= 
=l кOм. Все измерения повторить при нагрузке 
= 
// 
=0,5 кOм, для чего подключить перемычкой резистор 
=l кОм. Рассчитать коэффициент 
по формуле:
.
Результаты измерений и расчета занести в таблицу 3.6
Таблица 3.6
| Измерения | Расчет | Нагрузка | |||||||
|
|
|
|
| 
|
|
| 
|
| |
 =l кОм
| |||||||||
 =0,5 кOм
|
3.3.2 Определить выходное сопротивление 
стабилизатора тока и его режим работы.
Для этого подать напряжение питания 
, измерить напряжение на нагрузке = =l кOм и в цепи обратной связи на резисторе 
. Подключить перемычкой дополнительный нагрузочный резистор =l кОм и повторить все измерения при 
= 
// =0, 5 кОм.
Определить фактические токи нагрузки , по формуле 
и выходное сопротивление 
. Рассчитать теоретическое значение тока нагрузки 
= 
/ »0,66 при =100 Ом. Определить максимальное расхождение теоретических и экспериментальных значений тока нагрузки:
Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.7
Таблица 3.7
| Измерения | Расчет | ||||||||||
|
|
| 
| 
| 
|
|
|
|
| 
| 
| dмакс |
4. Контрольные вопросы
4.1. Основные параметры стабилизаторов напряжения и тока.
4.2. Принцип действия стабилизатора напряжения.
4.3. Принцип действия стабилизатора тока.
4.4. Какие преимущества имеет источник опорного напряжения с транзистором вместо балластного резистора? Подтвердить вывод полученными результатами.
4.5. От каких факторов зависит точность стабилизации напряжения и тока в компенсационных стабилизаторах?
4.6. Как влияет 
на точность стабилизации напряжения? Подтвердить вывод полученными результатами.
4.7. Как влияет сопротивление нагрузки 
на точность стабилизации напряжения и тока?
4.8. Какова связь между напряжением стабилитрона и выходным сигналом в стабилизаторе напряжения?
4.9. Каковы преимущества компенсационного стабилизатора напряжения по сравнению с параметрическим стабилизатором? Подтвердить вывод полученными результатами.
4.10. Чем определяется величина задающего воздействия в исследуемой схеме стабилизатора тока?
Литература
Основная литература
1. Технические средства автоматизации: учебное пособие/Р.Н.Кулагин, Н.В.Казаков, Е.В.Стегачев.- Волгоград: ВолгГТУ, 2009. – 103с.
2. Шандров Б.В. Технические средства автоматизации: учебник/ Б.В. Шандров, А.Д.Чудаков. – 2-е изд., стер. – М.: Академия, 2010.-260 с.
3. Средства автоматизации производственных систем машиностроения: учеб. пособие/ В.А. Рогов, А.Д. Чудаков. – М.: Высш. шк., 2005
Дополнительная литература
4. Применение прецизионных аналоговых ИС/ Алексеенко А.Г. и др. – М.: Сов. Радио, 1980. – 224с.
5. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре/ Зельдин Е.А.- Л.: Энергия, 1986. – 280с.
6.Интегральная электроника в измерительных устройствах/ Гутников В.С. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 304с.
Учебное издание
Роберт Николаевич Кулагин
Евгений Вячеславович Стегачев
Наталья Валерьевна Федорова
Технические средства автоматизации
Учебное пособие
Редактор Е.В. Стегачев
Темплан электронных изданий 2011 г., поз. № 34.
На магнитоносителе. Уч.-изд. л.
Подписано на «Выпуск в свет» Заказ №.
Волгоградский государственный технический университет
400131, г. Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28.
РИО РПК «Политехник»
Волгоградского государственного технического университета.
400131, г. Волгоград, ул. Советская, 35.