Исследование стабилизаторов напряжения и блоков питания

Краткая теория

Выходное напряжение выпрямительных схем источников электропитания может иметь недопустимо большие пульсации и зависеть от колебаний напряжения сети и от изменения нагрузки. Для ослабления влияния этих факторов используют стабилизаторы напряжения. В схемах стабилизаторов обязательно наличие некоторого опорного (эталонного) напряжения. В качестве источника такого напряжения обычно применяют стабилитроны. Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рис. 1.1,а.

Рис. 1. 1.

В стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на p-n переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Участок 1−2 на рис. 1.1,а является рабочим участком вольтамперной характеристики стабилитрона. При снятии характеристики стабилитрона бывает удобно по горизонтальной оси откладывать ток через стабилитрон, как это показано на рис. 1.1,б.

Основным параметром прибора является напряжение стабилизации U_ст, обычно сопровождаемое указанием тока I_ст, при котором оно измерено. На рис. 1.1,б этому соответствует U_{ст тест} при токе I_{ст тест}. Нередко этой точке соответствует минимальная температурная зависимость напряжения стабилизации. Точке 1 соответствует минимальный ток стабилитрона I_{ст. мин}, при котором наступает пробой и, собственно, с которой начинается стабилизация. Обычно эта величина составляет около 3 мА. Точке 2 соответствует максимальный ток стабилитрона I_{ст. мак}, достижение которого еще не приводит к тепловому пробою p-n перехода. В зависимости от типа стабилитрона величина I_{ст. мак} может быть от нескольких миллиампер до 1,5 А.

Параметром, характеризующим наклон рабочего участка характеристики, является динамическое сопротивление стабилитрона:

r_д = (U₂ — U₁) / (I₂ — I₁) = U_ст / I_ст .(1.1).

Эта величина для низковольтных стабилитронов находится в пределах 1−30 Ом, а для высоковольтных — 18−300 Ом.

С использованием стабилитрона строятся параметрические стабилизаторы напряжения. Типовая схема такого стабилизатора приведена на рис. 1.2. Она состоит из добавочного сопротивления R1 и стабилитрона VD. Выходное напряжение U_вых на нагрузке R_н совпадает с напряжением стабилизации U_ст стабилитрона.

Рис .1.2.

Техническое задание на проектирование стабилизатора может быть поставлено по-разному. В лабораторной работе исходными данными для расчета стабилизатора напряжения являются:

• 1) выходное стабилизированное напряжение U_ст = U_вых ;
• 2) номинальное значение тока нагрузки I_н, а, следовательно, и сопротивление нагрузки R _н;
• 3) относительные отклонения д₊ и двходного напряжения стабилизатора от номинального значения U_вх ном и сопротивления R_н .

Приведем основные соотношения, необходимые для расчета стабилизатора. На основании законов Кирхгофа.

I = I_ст + I_н ;(1.2).

U_вх = I*R_д + U_вых .(1.3).

Отсюда для тока стабилитрона можно получить.

I_ст = (U_вх — U_вых) / R1 — U_вых / R_н.(1.4).

В условиях нормальной работы стабилизатора напряжение на нагрузке U_вых = U_ст изменяется незначительно, так что для простоты можно считать его постоянным. Тогда I_ст будет изменяться только от изменения U_вх и сопротивления нагрузки R_н.

Расчет стабилизатора фактически сводится к определению номинального значения входного напряжения U_вх и выбору сопротивления R1 так, чтобы при наихудших условиях ток через стабилитрон не становился меньше минимального и больше максимального:

I_{ст. мин} <= I_ст <= I_{ст. макс.}(1.5).

Номинальное значение напряжения питания стабилизатора U_вх ном (обычно это напряжение выпрямителя) вычисляется по формуле.

.(1.6).

Если знаменатель получается отрицательным, то необходимо уменьшить пределы нестабильности выходного напряжения или/и диапазон изменения тока нагрузки или использовать стабилитрон с большим I_ст мак.

Сопротивление резистора R1 вычисляют по формуле.

.(1.7).

Максимальные мощности, рассеиваемые резистором и стабилитроном, рассчитывают по формулам.

;(1.8).

P_ст мак = U_вых*I_{ст. мак} .(1.9).

Показателем качества стабилизации напряжения служит коэффициент стабилизации K_ст, показывающий, во сколько раз относительное приращение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения:

K_ст =дU_вх / дU_вых = (U_вх / U_вх ном) / (U_вых / U_{вых ном}) .(1.10).

Если известно динамическое сопротивление стабилитрона, то коэффициент стабилизации можно вычислить по формуле.

. (1.11).

Коэффициент сглаживания пульсаций, обеспечиваемый параметрическим стабилизатором, близок к K_ст.

В общем случае значения коэффициента стабилизации различны на каждом участке характеристики стабилизатора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора обычно не превышает 20 -50.

Выходное сопротивление стабилизатора рассматриваемого типа.

R_вых = r_д || R1 r_д .(1.12).

Параметры стабилизатора можно улучшить, если для обеспечения постоянства выходного напряжения включить между входным напряжением и сопротивлением нагрузки какой-нибудь элемент с регулируемым сопротивлением. Устроенные таким образом стабилизаторы называют последовательными стабилизаторами.

Простейшим последовательным стабилизатором напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения, как это показано на рис. 1.3,а.

Рис. 1.3.

Из рис. 1.3,а видно, что выходное напряжение U_вых определяется выражением.

U_вых = U_ст — U_бэ .(1.13).

Следовательно, в этой схеме выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер открытого транзистора (около 0,5 — 0,7 В). Из-за наличия отрицательной обратной связи по напряжению выходное сопротивление стабилизатора мало и может составлять доли ома.

Если необходимо регулировать выходное напряжение, то на базу следует подавать часть опорного напряжения, снимаемого с движка потенциометра, как это показано на рис. 1.3,б. Сопротивление потенциометра обычно в (2 — 5) раз больше, чем R1.

Методика выполнения Задания:

Соберите на монтажном столе схему по рис. 1.4,а Изменяя входной ток источник I (ток через стабилитрон) в диапазоне от 0 до 2I_ст мА, записывайте его значения и показания вольтметра XXM1 (напряжение на стабилитроне при этом токе) в табл. 1.1. При малых токах (до начала стабилизации) снимайте показания чаще, при выходе на режим стабилизации — реже. Для удобства расчетов задавайте значения тока с шагом 2мА. Обязательно снимите показания при токе I_ст. Всего снимайте 25−30 значений, большая часть которых должна соответствовать рабочей части характеристики стабилитрона (ориентировочно от 0,1 I_ст до 2 I_ст). В нижних строках таблицы поместите значение динамического сопротивления r_д вычисленное на рабочем участке характеристики.

стабилитрон напряжение мощность резистор

Схема 1.4, а Таблица 1.1.

Чтобы найти динамическое сопротивление стабилитрона, необходимо воспользоваться формулой r_д = 2? U/(I_{cт макс} — I_cт мин) подставив в нее следующие значения величин:

• ?U_ст = (10,022−10,004) = 0,018 B
• ?I_cт = (50−12) = 38 mA

В результате подстановки получим:

r_д = 0,947 Ом Выбрав рабочий участок характеристики, по выражениям (1.6). (1.7) и (1.1) вычислите соответственно номинальное напряжение стабилизатора U_вх, округляя его до большего целого, сопротивление резистора R₁, устанавливая его равным ближайшему к расчету номинальному значению стандартного ряда (приложение 2), и динамическое сопротивление стабилитрона r_д на рабочем участке. При расчетах учтите параллельное включении двух стабилитронов 1N4740A, что приводит к необходимости удваивать величины I_{cт макс} и I_cт мин в формулах (1.6) и (1.7). По (1.1) определите теоретическое значение коэффициента стабилизации K_ст, а по (1.8) и (1.9) вычислите мощность, рассеиваемую на стабилитроне и резисторе R₁. Чтобы найти номинальное значение входного напряжения стабилизатора, необходимо воспользоваться формулой (1.6), подставив в нее следующие значения величин:

U_ст = 10 B.

д_- = 0,2.

д₊ = 0,2.

I_н мин = 0,0333 mA.

I_н мак = 0,0500 mA.

I_ст мак = 0,1 mA.

I_ст мин = 0,024 mA.

В результате подстановки получим:

U_вх = 34 B.

Чтобы найти сопротивление резистора R1, необходимо воспользоваться формулой (1.7), подставив в нее следующие значения величин:

д_- = 0,2.

д₊ = 0,2.

I_н мин = 0,0333 mA.

I_н мак = 0,0500 mA.

I_ст мак = 0,1 mA.

I_ст мин = 0,024 mA.

U_вх = 34 B.

В результате подстановки получим:

R1 = 240 Ом Чтобы найти мощность, рассеиваемую резистором R1, необходимо воспользоваться формулой (1.8), подставив в нее следующие значения величин:

д₊ = 0,2.

R1 = 240Ом.

U_ст = 10 B.

U_вх = 34 B.

В результате подстановки получим:

Р_R1 = 3,95 Вт Чтобы найти мощность, рассеиваемую на стабилитроне, необходимо воспользоваться формулой (1.9), подставив в нее следующие значения величин:

U_вых = 10 В.

I_{ст. мак} = 50 mA.

В результате подстановки получим:

Р_ст мак = 0,5 Вт Чтобы найти коэффициент стабилизации, необходимо воспользоваться формулой (1.11), подставив в нее следующие значения величин:

r_д = 0,947 Ом.

U_вх ном = 34 B.

U_{вых ном} = 10 B.

R1 = 240Ом В результате подстановки получим:

K_ст = 78,4.

Проверьте работоспособность стабилизатора при номинальных и предельных значениях параметров. Результаты проверки представьте в виде табл. 1.3. Найти коэффициент стабилизации.

Таблица 1.3.

Подсчитаем коэффициент стабилизации по формуле (1.10), подставив в нее следующие значения величин:

?U_вх = (40.8 — 27,2) B.

U_вх ном = 34 В.

?U_вых = (10,012 — 9,956) B.

U_{вых ном} = 9,988 В В результате подстановки получим:

K_ст = 71,34.

Задавая величину входного напряжения схемы рис. 1.7 с V₁ от 12 В до 17 В с шагом в 1 В, фиксируйте изменяющиеся I_ст I_н U_вых. Результаты опыта занесите в табл. 1.6.

Схема 1.7.

Таблица 1.6.

U_вх, удовлетворяющее условию превышения тока стабилитрона над током нагрузки в диапазоне 10−30%, равно 16 В. Тогда будем иметь U_вх мин = 16 В, U_вх ном = 20 В, U_вх мак =24 В.

Проверьте работоспособность стабилизатора при номинальных и предельных значениях параметров. Результаты проверки представьте в виде табл. 1.7 аналогичной таблице 1.3. Найти коэффициент стабилизации.

Подсчитаем коэффициент стабилизации по формуле (1.10), подставив в нее следующие значения величин:

?U_вх = (24−16) B.

U_вх ном = 20 В.

?U_вых = (10,103 — 10,054) B.

U_{вых ном} = 10,083 В В результате подстановки получим:

K_ст = 82,3.