Материал: Электроника. методические указания к выполнению лабораторных работ № 5-8 по дисциплине «Электроника» для студентов направления «Электроэнергетика и электротехника». Савельева Е.Л., Шелякин В.П
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Перед началом выполнения лабораторных работ студенты обязаны изучить инструкцию по технике безопасности и противопожарным мерам для работающих в лаборатории, ознакомиться с расположением силового оборудования и низковольтного оборудования стендов.
Во избежание несчастных случаев при работе в лаборатории необходимо строгое выполнение следующих основных правил техники безопасности:
До начала проведения лабораторной работы ознакомиться со схемой стенда на месте.
Сборка схем должна производиться при отключенной питающей
сети.
Нельзя прикасаться руками к неизолированным проводам, соединительным клеммам и другим частям схемы, находящимся под напряжением.
При работе с цепями переменного тока, содержащими последовательно соединенные индуктивности и емкости, следует помнить, что напряжение на индуктивности и емкости в некоторых случаях может быть много выше напряжения источника питания.
Изменения следует производить исправными приборами с хорошо изолированными проводами.
Смена предохранителей производится преподавателем или лаборантом при выключенном электропитании.
В случае неисправности стенда или прибора их необходимо отключить и сообщить об этом преподавателю.
Если произошел несчастный случай, то лабораторную установку следует отключить, а пострадавшему оказать первую помощь.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБАЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
5.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить принцип работы и порядок расчета стабилизатора напряжения компенсационного типа.
5.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой
5
автоматические регуляторы, в которых фактическое выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки.
а б
Рис. 5.1. Структурная (а) и электрическая (б) схемы КСН последовательного типа
При положительном сигнале рассогласования (Uн–Uоп >0) внутреннее сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения Uрэ на нем увеличивается. Поскольку РЭ и нагрузка включены последовательно, при увеличении Uрэ выходное напряжение уменьшается, стремясь к значению Uоп.
При отрицательном сигнале рассогласования (Uн–Uоп<0), наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения Uн.
Структурная принципиальная схема транзисторного компенсационного стабилизатора напряжения (КСН) последовательного типа приведена на рис. 5.1, а. Роль РЭ в этой схеме играет транзистор VТ1. С ростом величины |Uвх| выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая сигнал рассогласования Uбэ на входе усилителя постоянного тока (УПТ), выполненного на транзисторе VТ2. Ток коллектора транзистора VТ2 возрастает, а потенциал его коллектора становится более положительным относительно «земли». Напряжение «база-эмиттер» транзистора VТ1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления этого транзистора и падению напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.
Плавная регулировка достигается с помощью делителя напряжения R1, R2, R3, включенного в выходную цепь (рис. 5.1, б).
Для повышения коэффициента стабилизации КСН необходимо увеличить коэффициент усиления УПТ. С этой целью можно применять двухкаскадные УПТ на транзисторах или с использованием операционного усилителя (ОУ). Схема КСН с ОУ приведена на рис. 5.2.
6
Рис. 5.2. Схема простого КСН на ОУ
Выходное напряжение зависит от стабильности источника опорного напряжения Uоп и не может быть стабильнее последнего. Следовательно, если обеспечить постоянство тока через стабилитрон, то нестабильность параметрического стабилизатора будет такой же, как и компенсационного.
Кроме опорного напряжения на нестабильность на нестабильность выходного напряжения влияют параметры резисторов делителя напряжения. В связи с этим делитель напряжения должен выполняться на резисторах с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления.
Влияние изменения коэффициента усиления ОУ можно практически исключить, если сделать его достаточно большим (больше 1000).
К достоинствам компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения относятся: высокий коэффициент стабилизации (K>1000); низкое внутреннее сопротивление (Ri 10 3 10 4 Ом); практическая безынерционность; отсутствие собственных помех.
Недостатками являются: невысокие значения КПД (не более 0,5 0,6); в этих стабилизаторах мощность, потребляемая от источника, больше мощности, отдаваемой в нагрузку. Наибольший расход мощности имеет место в регулировочном элементе, так как напряжение на нем равно разности (Uвх– Uвых) и через него проходит весь ток нагрузки. В связи с этим для отвода тепла от РЭ его устанавливают на теплоотвод.
5.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
На рис. 5.3 представлена принципиальная схема макета для исследования стабилизатора напряжения.
Порядок выполнения работы:
1.Внимательно изучите принципиальную схему усилителя и монтажную, реализованную на макете. Зарисуйте схему в тетрадь.
2.Вставьте необходимые перемычки.
7
3.Подключите постоянное напряжение ко входу стабилизатора напряжения от клемм регулируемого источника напряжения.
4.Определите диапазон напряжений, в котором работает стабилизатор напряжения. Для этого ступенями по 2 (в) от 0 до 20 (в) увеличивайте входное напряжение и на каждом этапе контролируйте режим работы, установившейся в стабилизаторе. С помощью цифрового мультиметра измерьте напряжения в следующих точках: на выходе регулируемого источника питания или на входе стабилизатора, на выходе операционного усилителя и на выходе стабилизатора напряжения. Отметьте напряжение на входе стабилизатора, начиная с которого напряжение на выходе не изменяется. Полученные данные занесите в таблицу.
Рис. 5.3. Схема макета
5. Рассчитайте коэффициент стабилизации. Для этого измените входное напряжение на U=+5 в (от 20 до 25 вольт) и одновременно измерьте изменение выходного напряжения Uвых.
Кст = Uвх./ Uвых.
6. Для построения выходной характеристики КСН, измерьте изменение выходного напряжения с дополнительной нагрузкой. Повторите измерения для трех значений нагрузки.
Таблица
U вх
UОУ
вых
Uвых
7. По результатам измерений постойте график зависимости напряжения на выходе стабилизатора напряжения от напряжений на входе.
8
5.4.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Вотчете должны быть представлены:
1.Принципиальная схема стабилизатора;
2.Спецификация на элементную базу;
3.Таблица результатов измерений;
4.График по пункту 4 и его анализ.
5.5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Объясните принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения.
2.Объясните график зависимости Uвых от Uвх.
3.Каким образом можно регулировать выходное напряжение.
4.Что называется коэффициентом стабилизации. Какие параметры элементов схемы влияют на коэффициент стабилизации.
5.Что называется выходной характеристикой.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Основы промышленной электроники / под ред. В. Г. Герасимова. -
М.: Высш. шк., 1986. - 178 с.
2.Алексенко А. Г. Микросхемотехника: учебник / А. Г. Алексенко, И. И. Шагурин - М.: Радио и связь, 1982. - 414 с.
3.Королев Г. В. Электронные устройства автоматики: учеб. пособие для вузов / Г. В. Королев - М.: Высш. шк., 1991. - 255 с.
4.Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС / Л. Фолкенберри. - М.: Мир, 1985. - 565 с.
9