СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Оборудование: две макетных панели, монтажные проводники с наконечниками, миллиамперметр до 10 мА, источник регулируемого постоянного напряжения до 10 В, цифровой вольтметр.

ВНИМАНИЕ: монтаж электрических схем осуществлять только при выключенном напряжении питания на макетной панели.

Стабилизатором напряжения (тока) называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение (ток) на стороне потребителя (на нагрузке) с заданной степенью точности. Стабилизаторы напряжения в первую очередь ставят в источниках питания после выпрямителя. Чем чувствительнее прибор, чем точнее измерительное устройство, тем выше должна быть стабильность источников питания. Стабилизаторы тока не менее важны, чем стабилизаторы напряжения. Источники тока применяются для обеспечения смещения транзисторов, в качестве активной нагрузки усилительных каскадов. Они необходимы для работы интеграторов и генераторов пилообразного напряжения. Стабилизаторы тока требуются также, например, в электрохимии, электрофорезе.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения (тока) потребителя, являются: колебания сетевого напряжения 220 В, колебания частоты тока в сети, изменения потребляемой нагрузкой мощности, изменения температуры окружающей среды и др.

Стабилизаторы подразделяются в зависимости от рода напряжения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). По принципу действия стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. Стабилизация напряжения (тока) в параметрических стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) нелинейного элемента (газоразрядного и полупроводникового стабилитрона, стабистора, полевого или биполярного транзисторов и др.). Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. В зависимости от способа включения регулирующего элемента относительно сопротивления нагрузки стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. По режиму работы регулирующего элемента стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы с непрерывным регулированием и импульсные. В свою очередь импульсные стабилизаторы подразделяются по принципу управления на широтно-импульсные, частотно-импульсные и релейные.

Основными параметрами стабилизаторов постоянного напряжения, характеризующими качество стабилизации, являются:

Коэффициент стабилизации К_СТ – отношение относительных изменений входного и выходного напряжений (при постоянном выходном токе):

(1)

где DU_ВХ и DU_ВЫХ – соответственно приращения входного и выходного напряжений, U_ВХ и U_ВЫХ – значения входного и выходного напряжений стабилизатора.

Выходное сопротивлениеR_ВЫХ (или внутреннее сопротивление r_I) стабилизатора равно отношению приращения выходного напряжения DU_ВЫХ к приращению тока нагрузки DI_Н при неизменном входном напряжении U_ВХ = const:

(2)

Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение мощности на выходе стабилизатора к мощности на входе.

Полупроводниковые параметрические стабилизаторы (с использованием стабилитронов) являются наиболее простыми. Они характеризуются сравнительно невысокими коэффициентами стабилизации (10–100), большим выходным сопротивлением (единицы и десятки ом), низким КПД.

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого используется для стабилизации напряжения участок электрического пробоя (лавинного или туннельного) на обратной ветви ВАХ (рис. 1). В прямом направлении ВАХ стабилитрона такая же, как и у любого кремниевого диода. Пробивное напряжение диода – напряжение стабилизации стабилитрона U_СТ (от 3 до 200 В) зависит от толщины p-n-перехода или от удельного сопротивления базы диода. Низковольтные стабилитроны (U_СТ < 6 В) изготавливаются на основе сильнолегированного кремния и в них происходит туннельный пробой. Высоковольтные стабилитроны (U_СТ > 6 В) изготавливаются на основе слаболегированного кремния. Поэтому принцип их действия связан с лавинным пробоем.

В данной лабораторной работе исследуются стабилитроны Д814А и 2С156А. Их справочные данные приведены в табл. 1. Стабилизация напряжения тем лучше, чем круче идет кривая ВАХ (рис. 1) и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление стабилитрона. Кроме того, следует отметить, что стабилитроны с низким напряжением стабилизации (с туннельным пробоем) обладают отрицательным температурным коэффициентом напряжения (ТКН), т.е. при повышении температуры напряжение стабилизации уменьшается. Стабилитроны с лавинным пробоем имеют положительный ТКН. Существуют и термокомпенсированные стабилитроны, выполненные в одном корпусе в виде последовательного соединения стабилитрона с положительным ТКН и диода, включенного в прямом направлении (у которого отрицательный ТКН).

Таблица 1

Основные параметры	Д814А	2С156А
Напряжение стабилизации UСТ, В	7 – 8,5	5,6
Разброс напряжения стабилизации, %	–	± 10
Минимальный ток стабилизации IСТ mIn (ток, при котором наступает устойчивый пробой), мА
Максимальный ток стабилизации IСТ max (ток, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне не превышает допустимого значения), мА
Дифференциальное внутреннее сопротивление , Ом
Температурный коэффициент напряжения стабилизации (отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды ), % / °С	+ 0,07	±0,05
Максимально допустимый прямой ток, мА
Максимально допустимая рассеиваемая мощность, Вт	0,34	0,3
Температура окружающей среды, °С	от минус 60 до +100

Задание 1.

1.1. Найти на макетной панели стабилитроны Д814А и 2С156А, соединенные с токоограничивающими резисторами 150 и 240 Ом (рис. 2).

1.2. Установить на блоке питания напряжение 10 В. Подключить вольтметр к стабилитрону Д814А. Включить тумблер на макетной панели. Ток, текущий через стабилитрон, вызывает его нагрев и изменение U_CT. Положительный или отрицательный ТКН имеет данный стабилитрон? По часам определить время, необходимое для прогрева схемы. Для этого следует заполнить табл. 2 измерениями напряжения на стабилитроне в момент включения питания и через каждую минуту. Время прогрева необходимо учитывать в том случае, когда необходимо очень точно измерить напряжение на стабилитроне (до тысячных (или сотых) долей вольта).

Таблица 2

1.3. Измерить обратные ВАХ стабилитронов. Для этого необходимо, подавая напряжение питания от 1 до 10 В с шагом 1 В, измерить напряжение на стабилитронах. Подаваемое напряжение и напряжение на стабилитронах измерять с точностью до сотых долей вольта. Токи, текущие через стабилитроны, вычислять по падению напряжения на токоограничивающих резисторах. Результатами измерений и вычислений заполнить табл. 3.

Таблица 3

1.4. По данным, представленным в табл. 3, построить экспериментальные ВАХ стабилитронов (рис. 3). Сравнить реальные напряжения стабилизации и минимальные токи стабилизации со справочными данными.

1.5. На рабочих участках ВАХ рассчитать дифференциальные сопротивления, записать их в табл. 3 и сравнить со справочными данными.

Рассмотрим теперь работу стабилитрона с нагрузкой R_Н. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис. 4. При увеличении входного напряжения U_ВХ, как только ток через стабилитрон становится равным I_{ст min}, напряжение на стабилитроне перестает увеличиваться и становится равным U_СТ.

Дальнейшее увеличение U_ВХ приводит лишь к росту падения напряжения на токоограничивающем резисторе R. Поэтому напряжение на нагрузке R_Н поддерживается неизменным.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда входное напряжение U_ВХ нестабильно, а сопротивление нагрузки R_Н постоянно. Для такого случая сопротивление R обычно рассчитывают для средней точки Т вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 1) Если напряжение U_ВХ меняется от U_min до U_max, то R можно найти по следующей формуле:

, где - среднее входное напряжение; - средний ток стабилитрона; - ток нагрузки. Нестабильность напряжения в данном случае почти полностью поглощается резистором R. Колебания входного напряжения сглаживаются благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитрона.

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда U_BX = = const, а R_Н изменяется в пределах от R_{н min} до R_{н max}. для такого режима R можно определить по средним значениям токов по формуле:

,

где , , .

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Так как падение напряжения на резисторе R равное U_BX - U_СT постоянно, то ток, протекающий через этот резистор также постоянен. Этот ток представляет собой сумму токов стабилитрона и нагрузки. Поэтому, если увеличивается потребление тока нагрузкой, то ток через стабилитрон должен уменьшаться (для того, чтобы их сумма оставалась неизменной). Если нагрузка отбирает очень много тока у стабилитрона, то ток через стабилитрон становится меньше I_{cт min}, и стабилизация напряжения нарушается.

Задание 2.

2.1. Собрать на макетной панели схему, изображенную на рис. 5, в которой в качестве нагрузки стабилизатора используются последовательно соединенные резисторы сопротивлением 470 Ом, 750 Ом и внутреннее сопротивление миллиамперметра (100 Ом).

2.2. Подключая и отключая нагрузку от стабилитрона, убедиться по вольтметру в том, что при подключении нагрузки напряжение U_СТ уменьшается. Напряжение U_СТ уменьшается также и при увеличении тока нагрузки. Это можно показать, вращая ось переменного резистора 470 Ом. Таким образом, нагрузка отбирает часть тока у стабилитрона, и рабочая точка на ВАХ стабилитрона перемещается вверх в область меньших токов и меньших напряжений стабилизации U_СТ (см. рис. 1 и рис. 3).

2.3. Вычислить коэффициент стабилизации по формуле (1) для минимального тока нагрузки (чем больше будет ток нагрузки, тем хуже будет стабилизация напряжения). Для этого следует изменять входное напряжение от 9 В до 10 В (пусть DU_ВХ = 10 В – 9 В = 1 В, а U_ВХ = 9,5 В). Выходное напряжение следует измерять как можно точнее (до тысячных долей вольта), так как коэффициент стабилизации может достигать величины в несколько десятков. Не забудьте при измерениях о времени прогрева схемы (см. табл. 2).

2.4. Найти выходное сопротивление стабилизатора по формуле (2). Для этого следует установить U_ВХ = 10 В и измерить (как можно точнее) изменение выходного напряжения DU_ВЫХ при крайних положениях оси переменного резистора 470 Ом. При этом изменение тока нагрузки DI_Н определить по миллиамперметру.

2.5. Определить КПД стабилизатора для максимального тока нагрузки (ток нагрузки измерить миллиамперметром, входной ток вычислить по падению напряжения на резисторе 150 Ом):

2.6. Проделать п. 2.1 – 2.5 для стабилитрона 2С156А с токоограничивающим резистором 240 Ом.

Недостатки схемы стабилизатора, изображенной на рис. 4 (рис. 5) заключаются в следующем:

- напряжение U_ВЫХ нельзя регулировать или установить заданное значение;

- стабилитроны имеют конечное дифференциальное сопротивление, а в связи с этим они не всегда достаточно сильно сглаживают пульсации входного напряжения и влияние изменения сопротивления нагрузки;

- при широком диапазоне изменения токов нагрузки приходится выбирать стабилитроны с большой мощностью рассеяния (с большими максимальными токами).

Если необходимо регулировать выходное напряжение, то используется часть опорного (стабилизированного) напряжения, снимаемого с движка переменного резистора. Схемная реализация такой возможности показана на рис. 7.

Задание 3.

3.1. Собрать схемы стабилизаторов напряжения со стабилитронами Д814А и 2С156А (рис. 6). Используя вольтметр, убедиться в том, что выходное напряжение меньше напряжения на стабилитроне на величину падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора (на » 0,6 В).

3.2. По имеющимся в схеме сопротивлениям вычислить:

- максимальную мощность нагрузки Р_Н;

- мощность резисторов в цепи стабилитронов Р_R.

3.3. Результатами вычислений заполнить табл. 4.

Таблица 4

3.4. Собрать схему стабилизатора напряжения с регулируемым выходным напряжением (рис. 7) и проверить ее работоспособность.

Существует ряд способов увеличения коэффициента стабилизации. При этом происходит усложнении схемы стабилизатора.

Во-первых, стабилитрон можно запитывать через стабилизатор тока (а не через резистор), и тогда напряжение на стабилитроне практически не будет изменяться.

Во-вторых, можно использовать двухкаскадную схему (рис. 8), общий коэффициент стабилизации которой равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных каскадов (звеньев) и может достигать нескольких сотен.

В-третьих, следует выбрать другие схемы стабилизаторов, например, компенсационного типа с использованием транзисторных схем и операционных усилителей.

В-четвертых, можно использовать интегральные стабилизаторы напряжения (микросхемы).

Рассмотрим источники стабильного тока. Идеальный источник тока обладает бесконечно большим внутренним сопротивлением R = ¥ и обеспечивает в нагрузке R_Н ток, который не зависит от падения напряжения на нагрузке (от сопротивления нагрузки).

Схема простейшего источника тока показана на рис. 9. При условии, что R_H << R (т.е. U_H << U), ток сохраняет почти постоянное значение приблизительно равное U/R.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того, чтобы получить хорошее приближение к идеальному источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током такого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого в другом узле схемы. Если необходим значительный ток, то напряжение U (рис. 9) нужно выбрать большой величины. Для того, чтобы обеспечить I = 1 мА и R = 10 МОм необходимо приложить напряжение U = 10 кВ. Это условие можно обойти, если потребовать большого дифференциального внутреннего сопротивления (dU/dI), тогда как статическое внутреннее сопротивление может быть малым. Этой особенностью обладает выходная характеристика транзистора (полевого или биполярного).

Любой источник тока обладает набором их одних и тех же функциональных узлов: источник питания, регулирующий элемент, датчик тока и нагрузка.

Схема источника тока, изображенного на рис. 10, построена на основе схемы с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току. Работает она следующим образом. Напряжение на базе U_Б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: (для кремниевых транзисторов). Ток эмиттера равен:

.

Так как для больших значений коэффициента усиления по току h_21Э, ток эмиттера приблизительно равен току коллектора, то ток коллектора (а это есть ток нагрузки) вычисляется по той же формуле:

(3)

Если предусмотреть возможность изменения напряжения на базе, то получится регулируемый источник тока.

Формула (3) справедлива до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке, которое не может быть больше, чем напряжение питания (см. рис. 10). В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Поэтому для источника тока рабочий диапазон определяется тем, что транзистор должен находиться в активном режиме работы.

Задание 4.

4.1. Собрать на макетной панели источник стабильного тока, изображенный на рис. 11, установив при этом переменный резистор 2 кОм в нагрузке на минимум (против часовой стрелки - до упора).

4.2. По формуле (3) рассчитать теоретически максимальный ток нагрузки данного стабилизатора (I_ТЕОР = мА). Сравнить этот ток с экспериментально измеренным (I_ЭКС = мА).

4.3. Проверить, чтобы ток делителя напряжения (резисторы R1 и R2) превышал в 5–10 раз ток базы регулирующего транзистора, который приблизительно равен I_Б = I_K / h_21Э, где коэффициент усиления транзистора h_21Э принять равным 50.

I_{ДЕЛИТЕЛЯ} = мА, I_Б = мА. Это условие необходимо для того, чтобы при изменении тока нагрузки (а, следовательно, и базового тока, текущего через резистор R1) напряжение на базе практически не изменялось.

4.4. Установите при помощи резистора R2 = 1 кОм ток нагрузки 5–7 мА. Вращая ось переменного резистора нагрузки 2 кОм, убедитесь в том, что через нагрузку течёт почти стабильный ток, однако в крайнем правом положении оси резистора (по часовой стрелки) ток резко уменьшается. Почему?

4.5. Собрать на макетной панели схему стабилизатора тока, изображенную на рис. 12, в которой для задания напряжения на базе транзистора используется стабилитрон. Рассчитать теоретически ток стабилитрона (I_СТ = мА) и ток нагрузки (I_Н = мА). Проверить по миллиамперметру экспериментально ток нагрузки (I_{Н ЭКС} = мА).