Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

Стабилизаторы напряжения на транзисторах

Современная электронная аппаратура предъявляет жесткие требования не только пульсациям выходного напряжения источника питания, но и к неизменности (стабильности) его постоянного напряжения. В процессе работы ВИП напряжения на выходе сглаживающего фильтра может изменяться (имеются в виду медленные изменения, а не пульсации) в основном по двум причинам: изменение напряжения питающих цепей и сопротивление нагрузки. Если эти изменения недопустимо велики, то в схему ВИП вводится стабилизатор напряжения. Стабилизатором напряжения называется радиоэлектронное устройство автоматически поддерживающее с заданной точностью требуемую величину постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания или тока нагрузки. Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы, разделяющиеся, в свою очередь, на стабилизаторы непрерывного и импульсивного действия (ключевые стабилизаторы).

Основными параметрами стабилизаторов постоянного напряжения являются: коэффициент стабилизации напряжения, показывающее во сколько раз относительное приращение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения

Кст = (∆Uвх/ Uвх)/(∆Uвых/Uвых);

Выходное сопротивление, характеризующего изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки:

Rвых=½∆Uвых/∆Iн½;

Коэффициент полезного действия

η=UвыхIн/UвIвх.


Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия относятся к устройствам автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типа. Стабилизаторы последовательного типа наиболее широко используются в ВИПах. На рис. 4.10. показан простейший компенсационный стабилизатор на дискретных транзисторах.

Рис. 4.10. Стабилизатор напряжения на транзисторах.

В схеме стабилизатора транзистора Т1 является регулирующим (силовым) элементом, управление которым осуществляет усилитель на транзисторе Т2. Стабилитрон Д и резистор R2 составляют параметрический стабилизатор, создающий опорное (эталонное) напряжение Uоп. Резисторы R3 и R4 – элементы цепи отрицательной обратной связи, напряжение на выходе которой пропорционально напряжению на нагрузке Uoc=UHR4/(R3+R4). В данном стабилизаторе выходное напряжение всегда равно разности между входным напряжением и падением напряжения на регулирующем транзисторе Т1, т.е. UH=Uвх-Uк. Схема работает следующим образом. Допустим, что из-за увеличения входного напряжения выходное напряжение стало выше нормального. Это вызовет увеличение напряжения обратной связи Uос на резисторе R4 выходного делителя и сигнала рассогласования  Uос-Uоп, который усиливается транзистором Т2 и поступает на базу регулирующего транзистора Т1 такой полярности (плюсом), что транзистор призакроется. Это вызовет увеличение падения напряжения на регулирующем транзисторе и уменьшения напряжения на нагрузке до номинального значения. Таким образом, при отрицательном сигнале рассогласовании транзистор Т2 приоткрывается, его коллекторный ток растет и из-за увеличения падения напряжения на резисторе R1 потенциал коллектора и соединенного с ним базы транзистора Т1 по абсолютной величине уменьшается. В результате чего транзистор Т1 подзапирается. Если напряжение рассогласования становится положительным (а это случается при уменьшении входного напряжения), то Т2 призакрывается (из-за роста потенциала базы по абсолютной величине), и на нем меньше падает напряжение. В результате на выходе напряжение поднимается до исходного значения.

Итак, регулирующий транзистор меняет свое сопротивление в зависимости от изменения напряжения на входе, и поэтому падение напряжения на нем либо уменьшается, либо возрастает, компенсируя уменьшение или увеличение входного напряжения. Выходное напряжение при этом остается практически неизменным.

Стабилизатор с операционным усилителем  приведен на рисунке 4.11. Поскольку потенциалы на обоих входах ОУ должны быть близки друг другу, то потенциал в точке а равен опорному напряжению: Ua=Uоп. Отсюда, выражая Ua через выходное напряжение в виде Ua=β U2, получаем:

U2= Uоп/β,

где β – коэффициент обратной отрицательной связи, определяющийся делителем напряжения на потенциометре с сопротивлением в 22к. Меняя этот коэффициент можно регулировать выходное напряжение стабилизатора.

 Использование ОУ позволяет решить одну из главных проблем – резко уменьшить выходное сопротивление стабилизатора. Действительно, зададим на выходе приращение ∆Uo. Усиленное приращение Ко∆Uo, поступая на базу транзистора, вызовет приращение эмиттерного тока ∆Iо≈ Ко∆Uo/rэ. Отсюда Rвых= ∆Uo/∆Iо≈r/Ko. Поскольку Ко очень большое число, то выходное сопротивление может составить тысячные доли Ома и менее.

Рис. 4.11. Стабилизатор напряжения с использованием ОУ.

Выполнение работы.

4.2.1 Описание лабораторного макета.


Выпрямитель построен по мостовой схеме, питается от сети через понижающий трансформатор. В диагональ моста последовательно с нагрузкой поставлено небольшое токовое сопротивление RТ, падение напряжения на котором пропорционально току, проходящему через диоды. Благодаря этому сопротивление можно с помощью осциллографа пронаблюдать форму тока и измерить угол отсечки. Измеряя расстояние l1 между импульсами тока на экране l2, можно определить угол отсечки q.


Рис. 4.12. Принципиальная схема исследуемого стабилизированного выпрямителя.

  Рис. 4.13. К определению угла отсечки.

Далее после выпрямительного моста стоит П – образный LC- фильтр с выводами в точках 2 и 3, соответствующими С –фильтру и LC- фильтру. Эти выводы выполнены для измерения коэффициента сглаживания фильтра и коэффициента пульсаций. Переключатель П имеет две позиции «4» и «5». В позиции «4» исследуется только выпрямитель с фильтром. В позиции «5» к выпрямителю подключается стабилизатор и исследуется стабилизированный выпрямитель.

4.3. Рабочее задание.


4.3.1. Собрать схему (рис. 4.14). Исследовать нагрузочную характеристику Uвых = f (Iн) выпрямителя с фильтром. Построить ее.

  Рис. 4.14. Электрическая схема исследования выпрямителя с фильтром.

Определить выходное сопротивление выпрямителя с фильтром.

4.3.2. Подключить осциллограф к токовому сопротивлению выпрямителя (точка «I»). Изменяя Iн в тех же пределах, снять зависимость угла отсечки от тока нагрузки (рис. 4.12). Построить график полученной зависимости.

4.3.3. С помощью осциллографа и вольтметра постоянного напряжения определить величину пульсации в точках «2» и «3» при номинальном значении тока.

4.3.4. Определить коэффициент сглаживания пульсации П – образного фильтра.

4.3.5. Переключателем П подключить выход выпрямителя ко входу стабилизатора, а миллиамперметр, нагрузку и вольтметр подключить к точке «Выход 11» таким же образом, что и на рис. 4.13. Снять нагрузочную характеристику стабилизированного выпрямителя. Определить диапазон стабилизации. Оценить по графику максимальное значение Rвых стабилизатора и сравнить с расчетным.

4.3.6. Установить минимальное значение тока нагрузки (в середине области стабилизации). Соединить точки «2» и «3», подавая тем самым большие пульсации на вход стабилизатора. Измерять на входе и выходе стабилизатора амплитудные значения пульсации с помощью осциллографа. Измерить на входе и выходе стабилизатора значения постоянного напряжения с помощью вольтметра. Определить коэффициент стабилизации стабилизатора. Сравнить с расчетным.

Измерить входные и выходные напряжения выпрямителя без фильтра и электронного стабилизатора (рис. 4.14). Для этого соберите схему на стенде ЛКЭЛ (модуль ПЭ). Подайте входное синусоидальное напряжение UВх= 5…7 В частотой 5 кГц. Измерьте переменное напряжение между точками 1-2, 3-4 и 5-6 вольтметром В7-58. измерьте постоянное напряжение между точками 7-8 мультиметром М830.

Вариант 1 (обмотки 1, 2, 3, 4, 9, 10):

U1-2 = ______B; U3-4 = _____B; U5-6 = _____B; U7-8 = ____ B;

Вариант 2 (обмотки 5, 6, 7, 8, 11, 12):

U1-2 = ______B; U3-4 = _____B; U5-6 = _____B;  U7-8 = ____ B;

  

Рис. 4.15. Трансформатор и выпрямитель (без фильтра)

  4.4. Отчет.

В отчете о проделанной работе должны быть краткий конспект теории выпрямителя и стабилизаторов, схема лабораторного макета, рабочее задание, расчет предварительного задания, все таблицы и графики.

Контрольные вопросы.

4.5.1 Нарисуйте функциональную схему ВИП и объясните назначение всех её узлов.

4.5.2 Объясните принцип действия одно и двухполупериодного выпрямителя, нарисуйте кривые выпрямленных напряжений.

4.5.3 Чему равно среднее значение выпрямленного напряжения и коэффициенты пульсаций при одно и двухполупериодном выпрямлении.

4.5.4 В чем преимущество мостиковой схемы перед двухполупериодным выпрямителем с нулевым выводом. Представьте их схемы.

4.5.5 Объясните принцип сглаживания пульсаций напряжения на примере емкостного фильтра.

4.5.6 Объясните принцип работы П-образного LC фильтра.

4.5.7 Объясните принцип работы электронного стабилизатора.

4.5.8 Объясните зависимость угла отсечки от тока нагрузки.

4.6. Литература

Основы радиоэлектроники по редакцией Г.Д.Петрухина, МАИ, М.: 1993, 416с.

В.И.Нефедов Основы радиоэлектроники, Высшая школа, М.: 2000, 399с.

В.Н.Ушаков , О.В. Долженко. Электроника: от элементов до устройств, Радио и связь, М.: 1993, 352с.

Ф.Г.Китунович. Электротехника. Высшая школа, Минск, 1999, 399с.

 Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. –М.: Энергия, 1977, с.621-649.


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов