Исследование параметрического стабилизатора напряжения

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА

файл – Lab 9. ewb. (Lab_st.ewb.)

9.1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование характеристик параметрического стабилизатора напряжения.

9.2.КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Параметрические стабилизаторы напряжения выполняются на полупроводниковых стабилитронах. Стабилитроном называется полупроводниковый диод, падение напряжения на котором в области электрического пробоя мало зависит от тока, что даёт возможность использовать его для стабилизации напряжения. Вольтамперная характеристика стабилитрона, рассчитанного на напряжение стабилизации, равное 8В, приведена на рис.9.1.

Механизм пробоя в полупроводниковых стабилитронах может быть туннельным, лавинным или смешанным в зависимости от удельного сопро­тивления и других характеристик материала проводника. Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации U_сm при изменении тока стабилитрона от 1мин до 1макс.; температурный коэффициент изменения напряжения стабилизации (ТКН); динамическое сопротивление стабилитрона на участке стабилизации Rд=∆U/∆I.

Как видно из рис.9.1 падение напряжения на стабилитроне в области лавинного пробоя лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации (Iст).Это свойство полупроводникового стабилитрона используют в параметрических стабилизаторах для получения стабильного выходного напряжения

. I

Рис.9.1. Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона. Обозначение стабилитрона на электрических схемах приведено в левом верхнем углу рисунка.

Принципиальная схема стабилизатора напряжения приведена на рис 9.2.

Рис.9.2.Приинципальная схема параметрического стабилизатора напряжения

На схеме обозначены:

-Резистор делителя напряжения R₁

-Полупроводниковый стабилитрон V1,

-Резистор нагрузки R_н.

Работа стабилизатора напряжения иллюстрируется рис.9.3., на котором изображена вольтамперная характеристика стабилитрона и построены регулировочные характеристики стабилизатора для трех значений входного напряжения Uвх.= Uобр.=6,7 и 8 В. При изменении величины напряжения Uвх. ток, протекающий через стабилитрон Iст, увеличивается, а падение напряжения на стабилитроне Uст. и соответственно на нагрузке остается неизменным, равным 5В.

Рис.9.3. Иллюстрация процессов стабилизации выходного напряжения при изменении величины входного напряжения.

9.3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СТЕНДА. Структурная схема стенда, на котором моделируется работа параметрического стабилизатора напряжения, приведена на рис.9.4.

Рис.9.4.Структурная схема стенда, используемого для моделирования параметрического стабилизатора напряжения.

На схемы обозначены:

— Источники постоянного напряжения –12V ( Вольт ) и 50V ( Вольт).

— Коммутатор (К), с помощью которого источники постоянного напряжения подключаются к исследуемой схеме.

— Переменный резистор (R/ 250 Ohm), позволяющий изменять величину напряжения, подаваемого на схему стабилизатора напряжения.

— Вольтметр (Vвх), измеряющий входное напряжение.

— Резистор величиной в 1,0 кOhm, включенный последовательно со стабилитроном.

— Амперметр(A), измеряющий величину тока, протекающего через стабилитрон и сопротивление нагрузки.

— Полупроводниковый стабилитрон (St).

— Вольтметр (Vвых), измеряющий падение напряжения на стабилитроне (выходное напряжение на сопротивлении нагрузки).

— Коммутатор (Spece), подключающий или отключающий переменный резистор нагрузки (T/ 2,0 k Ohm).

Стабилизатор напряжения работает следующим образом. При изменении величины входного напряжения изменяется величина тока, протекающего через стабилитрон, и соответственно, изменяется падение напряжения на резисторе 1 кOhm. При этом падение напряжения на стабилитроне и следовательно на сопротивлении нагрузки остается постоянным. При изменении сопротивления нагрузки также изменяется величина падения напряжения на резистор 1,0 кOhm, а напряжение на стабилитроне и на резисторе нагрузки остается неизменным, равным напряжению стабилизации (Ust).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с моделью стенда и порядком проведения измерений.

2.Подготовить исходные материалы для составления отчета по работе. Для чего на отдельных листках бумаги заполнить титульный лист с фамилией, именем и отчеством студента, выполняющего лабораторную работу. Затем написать название дисциплины, название и цель выполнения работы.

3.Включить компьютер, запустить на выполнение программу «Eleсtronics Workbench» и открыть файл «Lab.9.ewb», размещенный в папке «Электротехника и электроника», вложенной в папку «Лабораторные работы».

4.Вычертить схему стенда c экрана монитора с помощью линейки.

5. С помощью коммутатора (Spece) отключить сопротивление нагрузки.

С помощью коммутатора К подключить к исследуемой схеме источник напряжения -12 V. Устанавливая последовательно входное напряжение равным 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0;6,0;7,0; 8.0; 9.0 В измерить для каждого случая величины токов, протекающих через стабилитрон. Результаты измерений занести в табл.9.1. По данным,полученным при измерения построить статическую вольтамперную характеристику стабилитрона.

6. Коммутатором (Spece) отключить сопротивление нагрузки .

С помощью коммутатора К подклчить к исследуемой схеме источник напряжения 50 V.Устанавливая последовательно входное напряжение, равным 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70 В, измерить для каждого случая величины выходных напряжений. Результаты измерений занести в табл.9.2. По результатам измерений построить регулировочную характеристику стабилизатора напряжения Uвых =F (Uвх).

Определить по характеристике и отметить максимальную и минимальную величины входного напряжения, при которых выходное напряжение остается постоянным.

. Vвх,B	-1,0	-2,0	-3.0
. Vвых,B

7.Подключить резистор нагрузки и, изменяя величину входного напряжения, определить максимальную и минимальную величины входного напряжения, при которых напряжение на резисторе нагрузки остается постоянным. Результаты измерений записать в табл.9.2

Величины	Vвх.мин	Vвх.макс	Vвых
Ед. измер.	В	В	В
R=2,0кОм

8. Подключить резистор нагрузки и, устанавливая его величину равной R=1,0 кОм, R=2,0кОм; R=5кОм, определить максимальные и минимальные величины входного напряжения, при которых напряжение на резисторе нагрузки остается постоянным. Результаты измерений записать в табл.9.3

Величины	Vвх.мин	Vвх.макс	Vвых
Ед. измер.	В	В	В
R=1,0кОм
R=3,0кОм
R=5кОм

9.5. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ.

Отчет должен содержать:

1.Титульный лист с названием университета, факультета, кафедры, курса, специальности, дисциплины, лабораторной работы и фамилии, имени и отчества студента.

3.Структурную схему модели лабораторного стенда, вычерченную с помощью линейки.

4.Таблицы 9.1. и 9.2.,9.3., содержащие результаты измерений и расчетов.

5.Построенные по данным измерений характеристики стабилизации выходного напряжения Uн= F(Uвх).

Исследование параметрического стабилизатора

1. Измерить и построить вольт-амперную характеристику стабилитрона;

2. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона R_ДИФ;

3. Рассчитать параметрический стабилизатор и исследовать его работу;

4. Сделать выводы.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Стабилитроном называется специальный тип диода, работающий на участке электрического пробоя, на котором для всего рабочего диапазона токов падение напряжения на стабилитроне остается практически неизменным.

На самом деле при изменении тока через стабилитрон напряжение на нем изменяется на небольшую величину. Это изменение может быть определено по формуле ΔU_СТ = R_ДИФΔI_СТ, где R_ДИФ называется дифференциальным сопротивлением стабилитрона, и явлется справочным параметром. Обычно величина R_ДИФ достаточно мала и составляет единицы Ом, что обуславливает небольшое отклонение стабилизированного напряжения от своего номинального значения.

Главной особенностью стабилитрона является наличие у его ВАХ эффекта стабилизации, что используется в устройстве, называемом параметрическим стабилизатором.

Параметрический стабилизатор предназначен для поддержания заданной величины напряжения на нагрузке при воздействии на него возмущающих внешних факторов, таких как нестабильность входного напряжения и нестабильность тока нагрузки.

Работа параметрического стабилизатора (ПС) основана на том, что протекающий через стабилитрон ток может изменяться в зависимости от типа воздействующих на ПС внешних факторов. Так, например, при увеличении входного напряжения увеличивается сила тока, протекающего через резистор R_ОГР. Если при этом ток нагрузки не изменился, то это приводит к увеличению тока в ветви стабилитрона, но если это увеличение не выводит стабилитрон из рабочего участка токов, то напряжение на стабилитроне практически не меняется. Этот процесс и является стабилизацией напряжения на нагрузке.

Главным параметром ПС являетя коэффициент стабилизации K_СТ, который определяется как отношение относительных отклонений входного и выходного напряжений и может быть измерен экспериментально. Так, например, если при относительном отклонеии выходного напряжения на 10%, относительное отклонение выходного напряжения равно 0,5 %, то коэффициент стабилизации для такого устройства равен K_СТ = 10%/0,5% = 20.

При последовательном включении двух стабилитронов возможно увеличение величины напряжения стабилизации, поскольку новое значение напряжения стабилизации будет определяться по формуле: U_СТ = U_СТ1 + U_СТ2. Однако при таком включении следует помнить, что для нормальной работы каждого из стабилитронов следует обеспечить требуемый для него диапазон токов и эти диапазоны могут не совпадать. В этом случае, при включении двух стабилитронов, в качестве нового токового диапазона следует брать максимальное из двух величин I_СТmin1 и I_СТmin2 и минимальное из двух величин I_СТmax1 и I_СТmax2. Недостатком такого включения является возрастание дифференциального сопротивления, поскольку R_ДИФ = R_ДИФ1 + R_ДИФ2. Это приводит к увеличению изменения напряжения на стабилитроне при изменении протекающего через него тока, что снижает коэффициент стабилизации всего параметрического стабилизатора.

При параллельном включении двух стабилитронов имеется возможность для увеличения токового диапазона работы параметрического стабилизатора. Такое включение имеет существенное преимущество, поскольку расширение диапазона I_СТmin … I_СТmax позволяет увеличить величину тока нагрузки.

Параллельное включение также снижает величину дифференциального сопротивления в два раза, что уменьшает величину изменения напряжения на каждом стабилитроне при измении протекающего через него тока. Однако параллельное включение сильно снижает КПД стабилизатора, поэтому включение более, чем двух стабилитронов на практике применяется редко.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Для построения ВАХ стабилитрона следует собрать схему, представленную на рис. 2.1. Задавая значения тока, протекающего через стабилитрон, следует измерять приложенное к нему напряжение. Результаты измерений необходимо занести в табл. 2.1.

2. Для исследования работы параметрического стабилизатора следует собрать схему, представленную на рис. 2.2. Задавая различные значения входного напряжения U_ВХ, следует измерять соответствующие им напряжения на выходе стабилизатора. Результаты измерений следует занести в табл. 2.2.

Для каждого из значений U_ВХ необходимо рассчитать величину коэффициента стабилизации К_СТ по следующей формуле:

где U_{ВХ НОМ} следует сделать раным величине U_ВХ при токе стабилитрона, равном 30 мА (см. табл. 2.2).

Рассчитанные значения K_СТ необходимо также занести в табл. 2.2.

Рис. 2.1 Схема для измерения ВАХ стабилитрона

Табл. 2.1 Данные для построения ВАХ стабилитрона

Для определения величины R_ДИФ следует воспользоваться формулой:

где точки A и B следует выбрать в начале и в конце прямого участка ВАХ.

Рис. 2.2 Схема для исследования параметрического стабилизатора

Табл. 2.2 Данные для расчета коэффициента стабилизации

1. Благодаря уникальному свойству ВАХ стабилитрон обладает эффектом стабилизации, что позволяет собирать на его основе параметрический стабилизатор.

2. Номинальный коэффициент стабилизации может быть получен лишь в определенном интервале токов, протекающих через стабилизатор. Снижение величны I_СТ приводит к ухудшению стабилизирующих свойств, а его увеличение может привести к перегреву стабилитрона и утрате стабилизационных свойств.

3. Недостатком параметрического стабилизатора является ограниченность тока нагрузки, который не превышает десятков миллиампер. По этой причине для стабилизации больших токов применяются схемы, работающие по другому принципу.

1. ВАХ стабилитрона, построенная по данным табл. 2.1.

2. Величина R_ДИФ, рассчитанная по ВАХ стабилитрона.

3. Значения K_СТ, рассчитанные по данным табл. 2.2.

Исследование параметрического стабилизатора напряжений

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию РФ

Лабораторная работа №1 по источникам питания на тему:

» Исследование параметрического стабилизатора напряжений»

Выполнил: Проверил: Кныжов Д.С.

студент группы 461с Сяктерев В.Н.

Цель: исследование свойств параметрического стабилизатора напряжений.

С помощью макета реализуем следующую схему:

1. Определяем АПХ. Для этого измеряем напряжение ИП1 от 2В до 18В с шагом через 1В.

Измеряем напряжение на выходе стабилизатора с помощью вольтметра В7-16.

Данные сводим в таблицу и строим график АПХ:

Uвх, В	Uвых, В
2	2
3	2,99
4	4
5	5
6	5,94
7	6,6
8	6,86
9	6,96
10	7,01
11	7,04
12	7,06
13	7,08
14	7,08
15	7,09
16	7,1
17	7,11
18	7,11

R=1,5 кОм, Rн=5,1 кОм.

По графику определяем данные для расчёта коэффициента стабилизации

∆Uвх=8В; Uвых=7,08В; Uвх=14В; ∆Uвых=7,11-7,01=0,1В

Кст= (∆Uвх*Uвых) / (Uвх*∆Uвых) = (8∙7,08) / (14∙0,1) =40

2. Определение внутреннего сопротивления стабилизатора

Для этого воспользуемся следующей эквивалентной схемой.

Uн= (Exx*Rн) / (Rвн+Rн) => Rвн= (Exx*Rн) /Uн-Rн

Uвх=14В, Exx=7,08В, Rн=5,1 кОм.

Подключаем нагрузку Uн=7,05В.

Rвн= (7,08*5,1*10 3 ) /7,05-5,1*10 3 =21,7Ом.

Вывод: номинальное напряжение стабилизации = 7 В, что примерно равно полученному в ходе работы.

Параметрический стабилизатор — типичные расчеты схемы

В маломощных схемах на нагрузку до 20 миллиампер применяется устройство с малым коэффициентом действия, и называется параметрическим стабилизатором. В устройстве таких приборов имеются транзисторы, стабилитроны и стабисторы. Они применяются в основном в компенсационных устройствах стабилизации в качестве опорных источников питания. Параметрические стабилизаторы в зависимости от технических данных могут быть 1-каскадными, мостовыми и многокаскадными.

Стабилитрон в устройстве прибора подобен подключенному диоду. Но обратный пробой напряжения больше подходит для стабилитрона и является базой его нормальной работы. Эта характеристика нашла популярность для разных схем, где необходимо создавать ограничение сигнала входа по напряжению.

Такие стабилизаторы являются быстродействующими приборами, и защищают участки с повышенной чувствительностью от импульсных помех. Применение таких элементов в новых схемах является показателем их повышенного качества, которое обеспечивает постоянное функционирование в разных режимах.

Схема стабилизатора

Базой этого прибора является схема подключения стабилитрона, применяющаяся и в других видах приборов вместо источника питания.

Схема включает в себя делитель напряжения из балластного сопротивления и стабилитрона, к которому параллельно подключена нагрузка. Устройство выравнивает напряжение на выходе при переменном питании и нагрузочном токе.

Действие схемы происходит следующим образом. Напряжение, повышающееся на входе прибора, вызывает повышение тока, который проходит через сопротивление R1 и стабилитрон VD. На стабилитроне напряжение остается постоянным из-за его вольтамперной характеристики. Поэтому не меняется и напряжение на нагрузке. В итоге все преобразованное напряжение будет приходить на сопротивление R1. Такой принцип действия схемы позволяет сделать расчет всех параметров.

Принцип действия стабилитрона

Если стабилитрон сравнивать с диодом, то при подключении диода в прямом направлении по нему может проходить обратный ток, который имеет незначительную величину в несколько микроампер. При повышении обратного напряжения до некоторой величины возникнет пробой электрический, а если ток очень велик, то произойдет и тепловой пробой, поэтому диод выйдет из строя. Конечно, диод может работать при электрическом пробое при снижении тока, проходящего через диод.

Стабилитрон спроектирован так, что его характеристика на участке пробоя имеет повышенную линейность, а разность потенциалов пробоя достаточно стабильна. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона выполняется при его функционировании на обратной ветви свойства тока и напряжения, а на прямой ветке графика стабилитрон работает как обычный диод. На схеме стабилитрон обозначается:

Параметры стабилитрона

Его главные параметры можно увидеть по характеристике напряжения и тока.

• Напряжение стабилизации является напряжением на стабилитроне при прохождении тока стабилизации. Сегодня производятся стабилитроны с таким параметром, равным 0,7-200 вольт.
• Наибольший допустимый ток стабилизации. Он ограничен величиной наибольшей допустимой мощности рассеивания, которая зависит от температуры внешней среды.
• Наименьший ток стабилизации, рассчитывается наименьшей величиной тока, протекающего через стабилитрон, при этом сохраняется действие стабилизатора.
• Дифференциальное сопротивление – это величина, равная отношению приращения напряжения к малому приращению тока.

Стабилитрон, подключенный в схеме как простой диод в прямом направлении, характеризуется величинами постоянного напряжения и наибольшим допустимым прямым током.

Расчет параметрического стабилизатора

Добротность функционирования прибора вычисляется по коэффициенту стабилизации, который вычисляется по формуле: Кст U = (ΔUвх / Uвх) / (ΔU вых / Uвых).

Далее расчет стабилизатора с применением стабилитрона производится в сочетании с балластным резистором в соответствии с типом применяемого стабилитрона. Для расчета используются рассмотренные ранее параметры стабилитрона.

Определим порядок расчета на примере. Возьмем исходные данные:

• U вых=9 В;
• I н =10мА;
• ΔI н = ±2мА;
• ΔU вх = ± 10% Uвх

По справочнику подбираем стабилитрон Д 814Б, свойства которого:

• U ст = 9 В;
• I ст. макс = 36 мА;
• I ст. мин = 3 мА;
• R д = 10 Ом.

Далее вычисляется входное напряжение: Uвх = nст *Uвых, где nст – коэффициент передачи. Функционирование стабилизатора станет эффективнее, если этот коэффициент будет в пределах 1,4-2. Если nст =1,6, то U вх= 1,6 * 9 = 14,4 В.

На следующем шаге производится расчет балластного резистора. Используется формула: R о = (U вх – U вых) / (I ст + I н). Величина тока I ст выбирается: I ст ≥ I н. При изменении U вх на величину Δ Uвх и Iн на ΔIн, не может быть больше тока стабилитрона величин I ст. макс и I ст. мин. Поэтому, I ст берется в качестве среднего допустимой величины в этом интервале и равно 0,015 ампер.

Значит, балластный резистор равен: R о = (14,4 – 9)/(0,015+0,01 )= 16 Ом. Ближнее стандартное значение составляет 220 Ом. Для выбора типа сопротивления, выполняется расчет рассеиваемой мощности на корпусе. Применяя формулу Р = I*2 R о, определяем величину Р = (25*10-3) * 2 * 220 = 0,138 ватт. Другими словами, стандартная мощность сопротивления равна 0,25 ватт.

Поэтому лучше подойдет сопротивление МЛТ — 0,25 — 220 Ом. После осуществления расчетов необходимо проверить правильность выбора режима действия стабилитрона в схеме параметрического прибора. В первую очередь определяется его наименьший ток: Iст. Мин = (U вх – ΔU вх – U вых) / Rо – (I н + ΔI н), с практическими параметрами определяется величина I ст.мин = (14,4–1,44–9) * 103 / 220–(10+2) = 6 миллиампер.

Такая же процедура производится для вычисления наибольшего тока: I ст. макс=(Uвх+ΔUвх–Uвых)/Rо–(Iн–ΔIн). По исходным параметрам, наибольший ток составит: Iст.макс=(14,4 + 1,44 – 9) * 103 / 220–(10 – 2)=23 миллиампер. Если в результате вычисленные значения наименьшего и наибольшего тока превосходят допустимые границы, то необходимо заменить I ст или резистор R о. Иногда требуется замена стабилитрона.

Лабораторная работа «Исследование параметрического стабилизатора напряжения»

Лабораторная работа № 9

«Исследование параметрического стабилизатора напряжения»

Цель работы:

1. Исследовать работу стабилизированного выпрямителя и возможные пульсации на входе и выходе при различных токах нагрузки;

2. Составить отчет.

Материальное обеспечение:

1. Универсальный стенд «Луч-2»;

Диод КД 103А -4шт.;

Сопротивление R1 = 510 Ом;

Сопротивление R 2 = 510 Ом, 1 кОм. 1,6 кОм.;

Конденсаторы С1=С2= 50 мкФ * 25 В.

Содержание работы.

Полупроводниковым стабилитроном называется полупроводниковый диод, ра­ботающий в области пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики

(рис. 1). При обратных напряжениях до сотен вольт ток незначителен и определяется наличием небольшого количества свободных неосновных носителей в n и р зонах диода. При увеличении обратного напряжения свыше сотен вольт ток резко возрастает из-за пробоя диода.

Рис 1. Вольт-амперная характеристика стабилитрона.

В отличие от выпрямительных плоскостных диодов, где преобладает тепловой пробой, в стабилизаторе происходит полевой или лавинный пробой. Полевой пробой возникает, когда связанные электроны в обеих зонах при увеличении электрического поля становятся свободными, а лавинный — за счет размножения носителей тока при достижении достаточного потенциала поля. В зоне резкого изменения тока ∆ I обрат­ное напряжение меняется очень незначительно (точки А и В рис. 1).

Отношение изменения обратного напряжения к изменению тока в этой области называется динамическим сопротивлением стабилизатора:

Динамическое сопротивление R д является основным параметром стабилитрона и показывает степень стабилизации напряжения.

Свойство стабилитрона поддерживать постоянное напряжение используют в ста­билизаторах напряжения. На рис.2 показана широко используемая в электронной тех­нике схема параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока на крем­ниевом стабилитроне.

При изменении входного напряжения U _вх выходное напряжение почти не меняет­ся, пока ток I ₀ не выходит за пределы значений, обозначенных точками А и В на вольт-амперной характеристике (см. рис. 1). Ток, текущий через резистор R ₁ определяется выражением:

При изменении входного напряже­ния на величину ∆ U _{В X} , ток, текущий через

резистор R 1 изменится на , а изменение выходного напряжения ∆ U _вых составит

Рис. 2. Схема стабилизатора

Таким образом, отношение называется коэффициентом стабилизации. Чем меньше динамическое сопротивление R д стабилитрона, тем выше коэффици­ент стабилизации.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с материальным обеспечением лабораторной работы. За­писать технические данные приборов в таблицу 1, начертить электрическую схему соединения с панель-схемы № 24.