Материал: Методические указания к лабораторным работам № 1-4 по дисциплине «Микроэлектроника» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика». Коротков Л.Н., Королев К.Г

Лабораторная работа № 1

Исследование параметров полупроводникового стабилизатора напряжения

Цель работы: изучения принципа действия однокаскадного полупроводникового стабилизатора напряжения последовательного типа, экспериментальное определение основных параметров.

Приборы и оборудование: макетная плата полупроводникового стабилизатора напряжения, источник питания УИП-2, вольтметр ВК 2-20.

1. Общие сведения

Полупроводниковые стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования напряжения, которые с заданной точностью поддерживают постоянным напряжение на выходе (на нагрузке) не зависимо от изменения входного напряжения или тока нагрузки.

Существует несколько типов стабилизаторов напряжения переменного и постоянного тока. Для стабилизации напряжения

вмаломощных цепях постоянного тока широкое распространение, благодаря своей простоте, получили стабилизаторы компенсационного типа и параметрические стабилизаторы.

Принцип действия параметрических стабилизаторов основан на использовании электронных приборов, имеющих существенно нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ).

Работа компенсационных стабилизаторов основана на сравнении эталонного напряжения и напряжения, действующего

внагрузке и регулировке этого напряжения.

Применяются схемы стабилизаторов параллельного и последовательного типа (рис. 1). На рис. 1 обозначено:

РЭ – регулирующий элемент, представляющий собой регулируемое сопротивление, например, сопротивление биполярного транзистора между выводами коллектор - эмиттер. Изменяя напряжение между базой – эмиттер сопротивление транзистора можно менять в широких пределах.

СУ – сравнивающий и усилительный элемент, представляющий собой дифференциальный усилитель постоянного тока, на входе которого присутствуют выходное напряжение и напряжение эталонного источника. В результате СУ усиливает разность этих напряжений.

Э – эталонный источник напряжения - гальванический элемент, отдельный стабилизатор напряжения или параметрический стабилизатор напряжения.

Входное напряжение и напряжение на нагрузке стабилизатора обозначены соответственно U1 и U2, а входной ток и ток нагрузки I1 и I2.

Принцип действия параллельного стабилизатора состоит в следующем. При изменении напряжения U1 изменяется выходное напряжение U2. Сигнал, равный разности эталонного и выходного напряжения, выделяется и усиливается элементом СУ. Он воздействует на регулирующий элемент РЭ, сопротивление которого изменяется. Ток, протекающий через РЗ Iр изменяется, соответственно изменяется падение напряжения на сопротивлении R0. В результате напряжение на нагрузке, которое равно разности напряжения U1 и напряжения на R0, изменится незначительно. Действие схемы аналогично, если сопротивление нагрузки Rн (ток нагрузки) не остается постоянным.

В стабилизаторе последовательного типа регулирующий элемент включен последовательно с источником U1 и нагрузкой. При изменении входного напряжения в начальный момент изменяется напряжение на нагрузке U2. Разность эталонного и выходного напряжения усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ. Его сопротивление изменяется, соответственно

меняется падение напряжения на нем UРЭ. В итоге – выходное напряжение U2= U1 –UРЭ останется практически неизменным.

б)

Рис. 1. Блок-схемы стабилизаторов: а – параллельного типа; б – последовательного типа

При изменении сопротивления нагрузки Rн схема работает таким образом. Пусть сопротивление нагрузки уменьшилось. Тогда ток I2=IН возрастает, а напряжение U2 уменьшится, так как возросло падение напряжения на регулирующем элементе РЭ. Сигнал, пропорциональный разности изменения выходного и эталонного напряжения, воздействует на регулирующий элемент

3

РЭ, который дополнительно откроется (сопротивление его уменьшится). Падение напряжения на РЭ уменьшится, следовательно, напряжение на нагрузке U2 возрастет и вернется к первоначальному значению.

Различие обеих схем состоит в следующем. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения U1, а ток находится в обратной зависимости от тока нагрузки. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе убывает при росте напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузке.

Основными параметрами, характеризующими стабилизатор, являются:

-выходное напряжение U2,

-выходной ток I2,

-выходное сопротивление Rвых,

-коэффициент стабилизации К,

-к.п.д. .

Выходное сопротивление характеризует изменение выходного напряжения с изменением тока нагрузки:

Коэффициент стабилизации есть отношение относитель-

ного изменения напряжения на входе к относительному изменению на напряжения на выходе при постоянном сопротивлении нагрузки:

К.П.Д. стабилизатора есть отношение мощности в нагрузке к мощности на входе стабилизатора:

4

Рассмотрим простейшую схему параметрического стабилизатора (рис. 2).

Рис.2.Схемапростейшегопараметрическогостабилизатора напряжениянаполупроводниковомстабилитроне

Для расчета технических параметров параметрического стабилизатора(рис.2)заменим его схему эквивалентной (рис. 3).

Рис.3.Эквивалентнаясхемапараметрическогостабилизатора напряжения(длярежимастабилизации).

При этом представим стабилитрон, работающий в режиме пробоя,источникомнапряженияЕ0=Uпр,ирезисторомr,равнымсреднему дифференциальному сопротивлению диода в области пробоя: r = <dU/dI>(рис.4).

Рис.4.Вольтампернаяхарактеристикаполупроводниковогостабилитрона.НавставкеподробнопоказанучастокВАХ,соответствующий

пробою

p-n–перехода(режимстабилизации).

Выразив напряжение, действующее на нагрузке U2, через параметры элементов схемы найдем:

Для определения коэффициента стабилизации вычислим производную

Откуда найдем коэффициент стабилизации

В случае, когда RH >> r (режим близкий к режиму холостого хода) получим:

Выходное сопротивление стабилизатора, как это видно из эквивалентной схемы (рис. 3) равно

Из полученных выражений следует, что коэффициент стабилизации в режиме холостого хода пропорционален отношению R/r, а в общем случае пропорционален отношению сопротивления R к сопротивлению параллельно включенных сопротивлений RH r. Следовательно, для достижения высоких значений К следует выбирать стабилитрон с наименьшим значением дифференциального сопротивления r, а резистор R - с наибольшим сопротивлением.

Однако резистор R ограничивает максимальный ток нагрузки. Из анализа эквивалентной схемы следует, что

где ICTmax – максимальный ток, отдаваемый в нагрузку при работе в «крайней рабочей точке», когда U2 = E0 и ток через стабилитрон отсутствует.

Таким образом, стремление увеличить коэффициент стабилизации приводит к уменьшению тока ICTmax, а, следовательно, и КПД стабилизатора.

Значительно улучшить нагрузочную характеристику стабилизатора позволяет схема, показанная на рис. 5. Здесь транзистор, являющийся «нагрузкой» параметрического стабилизатора, рассмотренного выше, включен по схеме «с общим коллектором». Такая схема представляет собой однокаскадный компенсационный стабилизатор последовательного типа, где транзистор Т (регулирующий элемент РЭ) включен последовательно

7

с нагрузкой Rн. Эталонным источником напряжения Э является параметрический стабилизатор на стабилитроне Д и резисторе R. При изменении входного напряжения Uвх в начальный момент изменяется и напряжение U2. Следовательно, изменяется напряжение между базой и эмиттером транзистора, которое

Рис. 5. Однокаскадный стабилизатор напряжения

складывается из разности напряжений на стабилитроне и U2. В результате изменяется падение напряжение на участке эмиттер – база и сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) изменяется. Соответственно меняется и падение напряжения на транзисторе, компенсируя изменение входного напряжения. Выходное напряжение при этом остается практически неизменным.

Одна из основных характеристик стабилизатора напряжения приведена на рис.6.

8