3.5 Контрольні запитання

1. Для чого використовуються випростовувачі з ємнісними фільтрами? Які їх переваги та недоліки?

2. Які бувають типи випростовувачів? Які особливості їхньої роботи?

3. Які способи завадозахисту використовуються у випростовувальних схемах?

4. Пояснити послідовність розрахунку випростовувальних діодів.

5. Пояснити, як розраховуються ємнісні фільтри випростовувачів?

6. За отриманими осцилограмами проаналізувати роботу діодів випростовувача.

7. За отриманими даними визначити реальне падіння напруги на діодах та її підйом на конденсаторах фільтра.

8. Пояснити, як вибираються з довідників типи діодів та конденсаторів?

Лабораторна робота № 4

Дослідженя роботи параметричних стабілізаторів постійної напруги

Мета заняття: ознайомитись з практичними схемами параметричних стабілізаторів постійної напруги, їх параметрами та характеристиками, вивчити специфіку застосування таких пристроїв для живлення стаціонарних та мобільних ЗВТ

Завдання:

1) вивчити схеми однокаскадних та багатокаскадних параметричних стабілізаторів,

2) вивчити схеми ланок термокомпенсації,

3) освоїти методику розрахунку параметричних стабілізаторів,

4) дослідити роботу параметричних стабілізаторів з різними вхідними напругами.

Тривалість роботи: 4 год.

4.1 Основні теоретичні положення

Стабілізатори напруги – це пристрої, які здатні автоматично підтримувати певне значення напруги на навантаженні з заданою точністю при певних значних змінах вхідної напруги.

Параметричні стабілізатори постійної напруги - це пристрої, в яких задане значення напруги на навантаженні підтримується за допомогою параметрів використаних в них стабілітронів.

Стабілітронами називаються радіоелементи зі зворотними ділянками вольт – амперних характеристик, де залежність струму від напруги є досить незначною.

Як стабілізуючий елемент стабілітрон працює при зворотній напрузі в області пробою.

Для запобігання виходу стабілітрона з ладу внаслідок перегрівання і забезпечення оптимальних меж зміни струмів стабілізації у параметричних стабілізаторах застосовуються баластні гасильні резистори. Фактично найпростіший - однокаскадний параметричний стабілізатор постійної напруги – це подільник напруги, який складається з баластного гасильного резистора Rб і стабілітрона VD (рис. 4.1,а). Навантаження в таких стабілізаторах під’єднується паралельно стабілітрону.

Недоліком однокаскадного параметричного стабілізатора (рис. 4.1, а) є низький коефіцієнт стабілізації, який не перевищує кілька відсотків.

Для отримання більш високих значень коефіцієнта стабілізації напруги використовують двокаскадні стабілізатори (рис. 4.1, а). Більшу кількість каскадів використовувати недоцільно, тому, що сильно знижується ККД всього стабілізатора через значну теплову потужність, яку розсіюють в навколишній простір баластні гасильні резистори.

Для температурної компенсації зміни напруги на стабілітроні і, на навантаженні, послідовно зі стабілітроном вмикаються діоди VD2, VD3 у прямому напрямку (рис. 4.1, в). Ці діоди зменшують струм стабілізації у випадку, коли стабілітрон сильно розігріється і струм через нього почне зростати. Відбувається це тому, що стабілітрон VD1 включений у зворотному напрямку, а діоди термокомпенсації VD2, VD3 – у прямому. Вихідна напруга стабілізатора з ланкою термостабілізації дорівнює сумі напруг на стабілітроні Uст і на діодах Uт (рис. 4.1, в). При використанні ланок термокомпенсації коефіцієнт стабілізації стабілізатора напруги зменшується в 2 – 4 рази.

Для збільшення вихідного струму стабілізатора в найпростішому випадку можна застосувати емітерний повторювач (рис. 4.2) на транзисторі, основною властивістю якого є підсилення струму без підсилення напруги і доволі хороша температурна стабільність.

На схемі (рис.4.2) діод VD1 служить для захисту стабілізатора від зміни полярності вхідної напруги, а резистор R2 – для захисту від короткочасних замикань в ланці навантаження.

а – однокаскадний стабілізатор,

б – двокаскадний стабілізатор,

в – однокаскадний стабілізатор з ланкою термокомпенсації.

Рисунок 4.1 – Схеми параметричних стабілізаторів постійної напруги

Конденсатори С1 та С2 підвищують стабільність роботи пристрою.

Рисунок 4.2 – Однокаскадний параметричний стабілізатор з підсилювачем струму на біполярному транзисторі

Розрахунок параметричних стабілізаторів постійної напруги

Вихідними даними для розрахунку стабілізаторів є:

- номінальна вихідна напруга Uвих, В;

- номінальний струм навантаження, Ін, А;

- допустиме відносне відхилення вхідної напруги стабілізатора в бік збільшення а_вх і зменшення b_вх, %;

- допустиме відносне відхилення вихідної напруги стабілізатора від номінального значення в бік збільшення а_вих і зменшення b_вих, %;

- допустиме відносне відхилення струму навантаження від номінального значення в бік збільшення с і зменшення d, %.

1. Вибираємо тип стабілітрона. Вибір здійснюється на основі отриманих даних розрахунку Uвих, Ін, а_вих, b_вих. З довідників вибираємо наступні параметри стабілітрона:

напругу стабілізації Uст, В;

номінальний, мінімальний та максимальний струми стабілізації І_ст, І_ст.min, І_ст.max, А;

диференційний опір стабілізації r_ст, Ом.

2. Необхідне значення коефіцієнта стабілізації напруги знаходиться з виразу:

(4.1)

3. Визначаємо максимальне значення коефіцієнта стабілізації напруги:

(4.2)

Величина повинна перевищувати значення у 1,2 – 1,5 рази. Якщо ця умова не виконується, потрібно застосувати більш складну двокаскадну схему стабілізатора (рис. 4.1, б).

4. Знаходимо необхідне значення напруги на вході стабілізатора:

(4.3)

5. Визначаємо опір баластного гасильного резистора:

(4.4)

Номінальне значення опору Rб вибираємо зі стандартного ряду з відхиленням, не більшим за +10% від розрахункового значення.

6. Потужність розсіювання резистора Rб розраховується за формулою:

(4.5)

7. Знаходимо максимальне розрахункове значення струму стабілізації:

(4.6)

Необхідною умовою нормальної роботи стабілізатора є збереження залежності:

(4.7)

При неможливості виконання умови (4.7) необхідно вибрати інший стабілітрон і повторити розрахунки.

8. Знаходимо номінальне значення вхідного струму стабілізатора:

(4.8)

9. Визначаємо максимальне значення вхідного струму стабілізатора:

(4.9)

10. Розраховуємо коефіцієнт корисної дії стабілізатора:

(4.10)

При використанні в схемі стабілізатора напруги термокомпенсуючих діодів (рис. 4.1, в) усі наведені вище співвідношення залишаються в силі, а замість значення r_ст необхідно підкласти r_ст + r_д.пр , де r_д.пр – сума диференційних опорів термокомпенсуючих діодів, а замість Uст використати Uст + Uпр, де Uпр – сума спадів напруг на діодах в прямому напрямку, В (вибирається з довідника).

Розрахунок двокаскадного стабілізатора напруги (рис. 4.1, б) здійснюється за формулами, які наведені вище для однокаскадної схеми, з врахуванням того, що Uвих першого каскаду є Uвх для другого, а загальний коефіцієнт стабілізації є добутком К_СТ кожного каскаду, тобто:

(4.11)

Розрахунок параметричного стабілізатора з підсилювачем струму (рис. 4.2) проводиться згідно заданих максимальних значень вихідної напруги Uвих та струму навантаження Ін.

1. Визначаємо необхідну мінімальну напругу на вході стабілізатора:

(4.12)

Цифра 3 у виразі (4.12), яка характеризує мінімальну напругу між колектором та емітером транзистора VT1, враховує використання у схемі стабілізатора як кремнієвих, так і германієвих транзисторів.

2. Максимальна потужність розсіювання транзистора знаходиться з виразу:

(4.13)

3. Вибираємо тип підсилювального транзистора з довідника. Його параметри повинні задовольняти умови:

(4.14)

(4.15)

4. Максимальний струм бази регулюючого транзистора визначається за формулою:

, (4.16)

де - коефіцієнт підсилення струму вибраного типу транзистора.

5. Вибираємо необхідний тип стабілітрона. Значення максимального струму стабілізації стабілітрона повинно перевищувати значення , а напруга стабілізації Uст повинна бути хоча б на 20% більшою за Uвх.

6. Опір резистора R1 знаходиться з виразу:

(4.17)

7. Потужність резистора R1 визначається за формулою:

(4.18)