Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения и тока

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 R_н=0.

Наибольшая погрешность у СТ возникает при R_н=¥, а минимальная погрешность существует при коротком замыкании выхода (R_н=0).

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.

Рисунок 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 R_н к выходу схемы или изменение тока нагрузки I_н соответствует возмущающему воздействию. Возмущающим воздействием является также изменение напряжения первичного источника питания U_вх.

При подключении R_н выходное напряжение U_вых в первый момент падает за счет конечного значения выходного сопротивления РЭ. Разность напряжений на входе УН при этом увеличивается: DU=U_o-U_дн. 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 U_вых восстанавливается не полностью. Ошибка регулирования при этом определяется свойствами статической САР. При изменении U_вх действие схемы аналогично рассмотренному.

Из ТАУ известно выражение для статической ошибки e_h по возмущающему воздействию:

, где h=I_н – возмущающее воздействие

- коэффициент передачи по возмущающему воздействию.

– коэффициент передачи прямой цепи.

К_ос=К_дн= – коэффициент передачи цепи ОС (рисунок 2.2).

В рассматриваемой схеме СН ошибка e_h=DU_вых.

Для повышения точности стабилизации и уменьшения статической ошибки e_h необходимо увеличивать К_ун. Увеличению К_ун препятствует возможность возникновения автоколебаний. Практически К_ун £ (5¸10)*10³. При большой глубине ОС (когда К_ун*К_ос>>1), выходное напряжение U_вых не зависит от К_ун и определяется выражением:

Рисунок 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

[%/В]

2) Коэффициент стабилизации напряжения

3) Коэффициент сглаживания пульсаций

,где

U_{вх. м}, U_{вых. м} – амплитуды пульсаций напряжения на входе и выходе СН.

4) Выходное сопротивление R_вых.

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 (рисунок 2.3).

В такой схеме в качестве ИОН используется чаще всего стабилитрон VD1 с балластным резистором R1, задающим номинальный ток стабилитрона.

Рисунок 2.3

При изменении входного напряжения питания U_вх, 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 R1 транзистор VT1, работающий как стабилизатор тока.

Как показывают выходные характеристики VT1 (рисунок 2.4), изменение напряжения U_cu при изменении U_вх мало влияет на выходной ток I_c, вследствие чего напряжение на стабилитроне практически остается неизменным.

Рисунок 2.4

R2 – ограничивает выходной ток ОУ в переходных режимах

Узел токоограничения (УТО) содержит транзистор VT2 и резистор R5.

Если ток нагрузки превышает определенное значение, то VT2 открывается и закрывает VT1, что препятствует дальнейшему увеличению I_н. Расчет R5 производится по формуле:

; U_пор=0,64-0,66В (Si)

P_R5=I_н.макс²*R5=6²*0,1=3,6Вт

Недостаток УТО - бесполезные потери мощности в предельном режиме.

Вместо УТО используют также аварийное отключающее устройство.

В данной схеме обеспечивается высокий коэффициент стабилизации К_с.u>1000, низкое выходное сопротивление, но выделяется значительная мощность на транзисторе VT1. Для обеспечения линейного режима работы VT1, минимальное рабочее напряжение U_{кэ раб мин}=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 R_ос, включенный последовательно с нагрузкой R_н. Вариант схемы СТ с дискретными элементами показан на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5

VT2 – регулировочный элемент и часть усилителя;

R_ос – датчик тока нагрузки R_н;

U_ос=I_н* R_ос – сигнал ОС;

VT1+R_k – усилитель сигнала ошибки.

Сигналом задания тока (образцового напряжения) U_зад является открывающее напряжение U_бэ VT1. В контуре из элементов R_оси БЭ VT1 осуществляется вычитание сигналов U_зад и U_ос.

Рисунок 2.6

Сопротивление резистора R_ос определяется из выражения:

(Si).

При увеличении I_н увеличивается падение напряжения U_ос на R_ос, а разность напряжений DU_бэ1=U_зад – U_ос уменьшается. VT1 прикрывается и потенциал его коллектора увеличивается. VT2 в этом случае приоткрывается и вновь увеличивает ток I_н. Таким образом, при стабилизации тока I_н, автоматически регулируется напряжение U_н, таким образом, чтобы при изменении R_н ток I_н оставался постоянным.

3. Порядок проведения работы

Рисунок 3.1

3.1 Исследование источника опорного напряжения (схема рисунок 3.1 VT1, VD1 или с R1, VD1).

3.1.1 Определить коэффициент стабилизации напряжения К_сн для двух вариантов схемы источника опорного напряжения: с балластным резистором R1 и полевым транзистором VT1.

Для этого с помощью перемычки подать на вход стабилизатора поочередно два уровня входного напряжения питания U_вх1=E2 и U_вx2=E4, которые необходимо измерить вольтметром. Зафиксировать соответствующие значения выходного напряжения U_вых1 и U_вых2, измеряя его на стабилитроне VD1. Все измерения произвести два раза, подключая перемычкой резистор R1 или транзистор VT1. Произвести расчет коэффициента по формуле:

Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

3.1.2 Определить коэффициент сглаживания пульсаций К_сп для двух вариантов схемы источника опорного напряжения.

Для этого подать на вход стабилизатора напряжения питания U_вх =Е4и зафиксировать с помощью осциллографа или вольтметра напряжение пульсаций на входе стабилизатора U_{вх. п} и на стабилитроне U_{вых. п}. Измерить также уровни постоянных составляющих напряжений на входе U_вх=E4 и на выходе U_вых=U_ст. Произвести расчет коэффициента К_сп по формуле:

Все результаты занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

3.2 Исследование компенсационного стабилизатора напряжения (схема VT1,VD1,A1,VT2)

3.2.1 Определить коэффициент стабилизации напряжения К_сн и влияние на него коэффициента усиления К_у в системе автоматического регулирования стабилизатора.

Для этого подключить перемычкой источник опорного напряжения с транзистором VT1 и зафиксировать напряжения на выходе стабилизатора U_вых1 и U_вых2 при двух уровнях входного напряжения U_вх1=Е₂ и U_вх2=Е₄. Все измерения произвести при двух значениях коэффициента усиления K_y1=R4/R3=10 и К_У2=30000, которые устанавливать с помощью перемычки в цепи обратной связи операционного усилителя А1. Произвести расчет коэффициента К_сн по формуле:

Результаты измерений и расчета занести в таблицу 3.3.

Таблица 3.3

3.2.2 Определить выходное сопротивление стабилизатора R, коэффициент сглаживания пульсаций К и влияние на него сопротивления нагрузки R (при К_у=10).

Для этого подключить перемычкой транзистор VT1, подать напряжение питания U_вх=Е₄ и зафиксировать с помощью осциллографа амплитуды пульсаций напряжений на входе стабилизатора U_{вх. м} и на его выходе U_{вых. м}. Измерить также постоянные составляющие этих напряжений U_вх и U_вых. Все измерения произвести как на холостом ходу (R_н=¥), так и с нагрузкой (R_н=R₈=300 Ом), которую подключить соответствующей перемычкой. Произвести расчеты тока нагрузки I_н=U_вых2/R_н, выходного сопротивления R_вых=DU_вых/I_н и коэффициента:

Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.4.

Таблица 3.4

3.2.3 Исследовать режим работы стабилизатора напряжения.

Для этого подключить резисторы R1, R4, подать перемычкой входное напряжение питания U_вх=Е₄ и измерить вольтметром напряжение в контрольных точках схемы U_cт, U_у1, U_ос1, U_вых. Повторить измерения U_у2 и U_ос2, подключив R8 параллельно R5. Определить коэффициент передачи усилителя Ky=DUy/DUoc, эмиттерного повторителя Кэп= U_вых / U_у1, цепи обратной связи Koc= U_ос1 / U_вых 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

3.3 Исследование компенсационного стабилизатора тока (схема VT4,VT5).

3.3.1 Определить коэффициент стабилизации тока К_ст и влияние на него нагрузки R_н.

Для этого подать на вход стабилизатора поочередно два уровня входного напряжения U_вх=Е2 и U_вх=Е4, измерить соответствующие напряжения на нагрузке U_н1 и U_н2 и определить токи нагрузки I_н1 и I_н2 по формуле I_н = U_н /R_н при R_н1=R10=lкOм. Все измерения повторить при нагрузке R_н2=R10 //R12=0,5кOм, для чего подключить перемычкой резистор R=lкОм. Рассчитать коэффициент К_ст по формуле:

.

Результаты измерений и расчета занести в таблицу 3.6

Таблица 3.6

3.3.2 Определить выходное сопротивление R_вых стабилизатора тока и его режим работы.

Для этого подать напряжение питания U_вх =Е2, измерить напряжение U_н1 на нагрузке R_н1=R10=lkOm и в цепи обратной связи U_ос1 на резисторе R11. Подключить перемычкой дополнительный нагрузочный резистор R12=lkOm и повторить все измерения при R_н2=R10//R12=0, 5kOm.

Определить фактические токи нагрузки I_н1, I_н2 по формуле I_н = U_н /R_н и выходное сопротивление R_вых=DU_н/DI_н. Рассчитать теоретическое значение тока нагрузки I_нт=U_ос/R11»0,66R11 при R11=100 Ом. Определить максимальное расхождение теоретических и экспериментальных значений тока нагрузки:

Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.7

Таблица 3.7

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 К_у на точность стабилизации напряжения? Подтвердить вывод полученными результатами.

4.7. Как влияет сопротивление нагрузки R_н 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?