3.6. Определить коэффициент пульсаций к, выходного напряжения пассивного rc-фильтра

Для этого отсоединить перемычкой ключ КЗ сброса интегратора и использовать цепь R6 - С1 в качестве сглаживающего RC-фильтра.

Подав заданное входное напряжение U₆, измерить переменную U_c и постоянную U_c- составляющие напряжения на конденсаторе С1. Коэффициент пульсаций определить из выражения К_П  U_c / U_c- Результаты занести в таблицу 3.

3.7. Снять осциллограммы переходных процессов rc-фильтра

Для этого при снятых перемычках повторить операции п. 3.4, подключив осциллограф к конденсатору С1. Результаты занести в таблицу 3.

Таблица 3

Вид фильтра	Эксперимент						Расчет
	Uc, В	Uc-, В	КП	tП, с	Uвых, В	Vс, В/с	КП	tП, с
БСФ
RC-фильтр

3.8. Рассчитать теоретически параметры кп и tП исследуемых фильтров

При этом использовать выражения:

для БСФ K_n  V_c / (4fU_вых – V_c ), t_п  T/ 2, (8)

для RC-фильтра K_n  1/4fR₆C₁, t_п  3RC, (9)

Результаты расчетов занести в таблицу 3.

Сделать вывод по оценке параметров БСФ и RC-фильтра.

4. Содержание отчета

В отчете привести: цель работы, исследуемую схему, осциллограммы сигналов (6x2 шт.), осциллограммы переходных процессов (2x2 шт.), таблицы измерения и расчетов - 2 шт., график статической характеристики - 1 шт., выводы по результатам работы.

5. Контрольные вопросы

5.1. Пояснить принцип действия БСФ, используя полученные осциллограммы сигналов.

5.2. Привести основные параметры УВХ.

5.3. Какова связь между точностью и быстродействием УВХ?

5.4. Дать сравнительную оценку быстродействия RC-фильтра и БСФ, подтвердив вывод полученными экспериментальными данными.

5.5. От чего зависит коэффициент пульсаций БСФ и RC-фильтра?

5.6. Как определить коэффициент передачи БСФ?

5.7. Чем определяется нелинейность статической характеристики БСФ?

5.8. Как влияет частота f на коэффициент пульсаций исследуемых фильтров?

5.9. С какой частотой должны формироваться импульсы выборки U₉ и импульсы сброса интегратора U₁₀ в устройстве синхронизации.

5.10. С какой целью производится периодический сброс заряда C1 в интеграторе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения и тока

1. Цель работы

Изучить принцип действия, основные параметры и режимы работы компенсационных стабилизаторов напряжения и тока, а также провести экспериментальную проверку этих параметров.

2. Основные положения

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: U=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 _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 _h=U_вых.

Для повышения точности стабилизации и уменьшения статической ошибки _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 U_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.