МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Российской федерации
федеральное государственное АВТОНОМНОЕ образовательное
учреждение Высшего профессионального образования
«Южный федеральный университет»
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
ОТЧЕТ
По лабораторной работе №7
«Компенсационный стабилизатор напряжения»
Выполнили:
Студенты 3 курса 11 группы
очной формы
«Инфокоммуникационные
технологии и системы связи»
Дорошенко Игорь
Ким Яна
Проверил:
Натхин Иван Иванович
г. Ростов – на – Дону
2018 год
Цель работы:
· Изучение процессов в схеме компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока и оценка влияния параметров цепи обратной связи на характеристики стабилизатора в целом.
Приборы и элементы:
· Генераторы сигналов
· Осциллограф
· УПТ
· Транзисторы
· Стабилитроны
· Амперметры
· Вольтметры
Теоретическая часть
Компенсационный стабилизатор напряжения является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.
Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой RH. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и RH таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.
Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас.
Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.
В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений UОП и UРЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение UРЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.
Стабилизаторы напряжения – это устройства, предназначенные для поддержания стабильного напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения. Основными показателями стабилизатора напряжения являются: а) коэффициент стабилизации; б) выходное сопротивление; в) коэффициент полезного действия.
а) Коэффициент стабилизации – это отношение относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе: kст = dUвх/Uвх: dUвых/Uвых.
б) Выходное сопротивление стабилизатора -отношение абсолютного приращения напряжения на выходе к абсолютному приращению тока нагрузки. Rвых = d Uвых/ d Iнагр.
в) КПД стабилизатора – это отношение мощности в нагрузке к входной мощности стабилизатора. h=UвыхIнагр/UвхIвх..
Стабилизаторы напряжения делятся на параметрические и компенсационные.
Параметрические:
Для увеличения коэффициента стабилизации необходимо увеличивать величину баластного сопротивления и уменьшать динамическое сопротивление стабилитрона.
Компенсационные: В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины Uвых с заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.
Они делятся на стабилизаторы параллельного и последовательного типа. Основными элементами таких стабилизаторов являются: источник эталонного напряжения (Э), сравнивающий и усилительный элемент (СУ), регулирующий элемент (Р).
В стабилизаторах последовательного типа Р включен последовательно с источником вх. напряжения Uвх и нагрузкой Rн. Если Uвых отклонится от номинального значения, то разность эталонного и выходного напряжений изменяются, усиливаются и воздействуют на Р. При этом сопротивление Р автоматически меняется и напряжение Uвх распределяется между Р и Rн т.о., чтобы компенсировать происшедшие изменения на нагрузке.
В стабилизаторах параллельного типа рпи отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал, равный разности эталонного и выходного напряжений, усиливается элементом СУ и воздействует на Р, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента Iр изменяется, поэтому на боллатсном сопротивлении Rб, включенном последовательно с Rн, изменяется падение напряжения, а напряжение на выходе Uвых=Uвх-IвхRб остается стабильным.
Коэффициент стабилизации выходного напряжения можно определить как отношение нестабильности выходного напряжения к нестабильности входного напряжения:
Порядок выполнения работы
Модель компенсационного стабилизатора:
| Модель компенсационного стабилизатора позволяет исследовать процессы в компенсационном стабилизаторе напряжения (КСН) в статическом режиме. |
| КСН содержит регулирующий элемент -VT1 (транзистор ZTX 869 из библиотеки zetex), источник эталонного напряжения - R3, VD1(стабилитрон 1N4733A из библиотеки motor 1n), следящий делитель R4, R5, усилитель цепи обратной связи DA1 (УПТ - микросхема 741 из библиотеки default) с нагрузкой R2. |
| Входное постоянное напряжение стабилизатору обеспечивает регулируемый источник ЭДС, который управляется напряжением с потенциометра R1 в диапазоне от 0 до 24 вольт с крутизной 2В/В. Это напряжение контролируется вольтметром U01. Генератор U1 создаёт пульсации на входе стабилизатора. |
| Вольтметр U02 измеряет постоянную составляющую выходного напряжения, вольтметр Um2 измеряет действующее значение напряжения пульсаций на выходе. |
| Таблица 7.2 – Снятие зависимостей Um2 и U02 |
Rh=50%
| R1,% | ||||||||
| U01,BX | 1.2 | 2.398 | 3.598 | 4.799 | 5.999 | 7.199 | 9.599 | |
| U02,B | 0.213 | 0.753 | 1.596 | 2.593 | 3.192 | 3.564 | 3.720 | 0.262 |
| I02,A | 0.042 | 0.150 | 0.319 | 0.507 | 0.638 | 0.712 | 0.744 | 0.052 |
| Um2,B | 0.315 | 0.793 | 1.133 | 0.933 | 0.486 | 0.085 | 0.074 | 0.001mkV |
График:
Рабочий участок: от 6 до 11,9
Рассчитаем кпд
Kpd1=0.1775
Kpd2=0.53
Kpd3=0.0218
Коэффициент стабилизации по входному напряжению:
Kst=10.8*0.049/6*3.192=0.53/19.152=0.027
Ky=325.8
Таблица 7.3 – Снятие зависимостей U02 и Um2
R1=50%
| Rh,% | ||||||
| U02,B | 3.342 | 3.240 | 3.123 | 2.813 | 2.310 | 1.386 |
| I02,A | 0.335 | 0.540 | 0.780 | 1.407 | 2.310 | 2.772 |
| Um2,B | 0.584 | 0.517 | 0.442 | 0.261 | 0.064 | 0.054 |
График:
Найдем внутреннее сопротивление стабилитрона:
Rвн=0.73/0.5=1,46
7.2
R4=30%
U01=30B
| Rh% | |||||||
| U02,B | 14.6 | 12.96 | 10.95 | 9.733 | 8.348 | 6.746 | 4.876 |
| I0,A | 1.458 | 1.621 | 1.824 | 1.4947 | 2.087 | 2.249 | 2.438 |
| Uvt1,B | 15.43 | 17.03 | 19.05 | 20.26 | 21.65 | 23.25 | 25.12 |
| Pkvt1 | 22.5 | 27.6 | 34.74 | 30,2 | 45.18 | 52.3 | 61.24 |
| Kpd | 0.49 | 0.432 | 0.365 | 0.324 | 0.28 | 0.22 | 0.1625 |
7.3
IH=0.0078A
UH=7.853B
I1=194mkA
E1=12B
Rn=1KOm
| Rh | |||||||||
| UBых,B | 14.89 | 15.22 | 15.17 | 15.4 | 16.34 | 15.05 | 14.38 | 13.96 | 14.71 |
| Ih,mA | 14.89 | 15.22 | 15.17 | 15.4 | 16.34 | 15.05 | 14.38 | 13.96 | 14.71 |
| Rh | ||||||||||
| UBых | 17.07 | 14.82 | 14.97 | 13.85 | 14.27 | 13.74 | 15.85 | 16.7 | ||
| Ih | 17.07 | 14.82 | 14.97 | 13.85 | 14.27 | 13.74 | 15.85 | 16.7 |
Uвых=f(Iн)
Контрольные вопросы:
1. Приведите структурные схемы стабилизаторов компенсационного типа.
Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.
Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой RH. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и RH таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.
Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас.
Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.
В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений UОП и UРЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение UРЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.
Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.
2. В чем состоит принципиальное отличие компенсационного метода стабилизации от параметрического?
Стабилизаторы напряжения – это устройства, предназначенные для поддержания стабильного напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения. Основными показателями стабилизатора напряжения являются: а) коэффициент стабилизации; б) выходное сопротивление; в) коэффициент полезного действия.
а) Коэффициент стабилизации – это отношение относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе: kст = dUвх/Uвх: dUвых/Uвых.
б) Выходное сопротивление стабилизатора -отношение абсолютного приращения напряжения на выходе к абсолютному приращению тока нагрузки. Rвых = d Uвых/ d Iнагр.
в) КПД стабилизатора – это отношение мощности в нагрузке к входной мощности стабилизатора. h=UвыхIнагр/UвхIвх..
Стабилизаторы напряжения делятся на параметрические и компенсационные.
Параметрические:
Для увеличения коэффициента стабилизации необходимо увеличивать величину баластного сопротивления и уменьшать динамическое сопротивление стабилитрона.
Компенсационные: В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины Uвых с заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.
Они делятся на стабилизаторы параллельного и последовательного типа. Основными элементами таких стабилизаторов являются: источник эталонного напряжения (Э), сравнивающий и усилительный элемент (СУ), регулирующий элемент (Р).
 
В стабилизаторах последовательного типа Р включен последовательно с источником вх. напряжения Uвх и нагрузкой Rн. Если Uвых отклонится от номинального значения, то разность эталонного и выходного напряжений изменяются, усиливаются и воздействуют на Р. При этом сопротивление Р автоматически меняется и напряжение Uвх распределяется между Р и Rн т.о., чтобы компенсировать происшедшие изменения на нагрузке.
В стабилизаторах параллельного типа рпи отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал, равный разности эталонного и выходного напряжений, усиливается элементом СУ и воздействует на Р, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента Iр изменяется, поэтому на боллатсном сопротивлении Rб, включенном последовательно с Rн, изменяется падение напряжения, а напряжение на выходе Uвых=Uвх-IвхRб остается стабильным.
3. Чем определяется качество стабилизации выходного напряжения?
Коэффициент стабилизации выходного напряжения можно определить как отношение нестабильности выходного напряжения к нестабильности входного напряжения:
4. Как построить стабилизатор с выходным напряжением меньше эталонного?
Начнём с того, что для стабилизации любого электрического параметра должна быть схема слежения за этим параметром и схема управления этим параметром. Для точности стабилизации необходимо наличие "эталона", с которым стабилизируемый параметр сравнивается. Если в ходе сравнения оказывается, что параметр больше эталонного значения, то схема слежения (назовём её схемой сравнения) даёт команду на схему управления "уменьшить" значение параметра. И наоборот, если параметр оказывается меньше эталонного значения, то схема сравнения даёт команду на схему управления "увеличить" значение параметра. На этом принципе работают все схемы автоматического управления всех устройств и систем, которые нас окружают, от утюга, до космического аппарата, разница лишь в способе контроля и управления параметром. Точно так же работает стабилизатор напряжения.
| |