Исследование компенсационного стабилизатора напряжения

Исследуемая схема представлена на рисунке 2.4 В качестве стабилизатора в этой схеме используется интегральный СН КР142ЕН5А, характеристики которого представлены в таблице 2.3

Рисунок 2.4 – Принципиальная схема макета

Таблица 2.3 – Характеристики КР142ЕН5А

Результаты измерений представлены в таблицах 2.4 и 2.5 для нагрузок R3 и R4 соответственно.

Таблица 2.4 – Результаты измерений с R3

Таблица 2.5 – Результаты измерений с R4

Из таблицы 2.5 можно заметить, что при нагрузке в 320 Ом напряжение на выходе микросхемы оказалось ниже, чем заявлено. (см. таблицу 2.3)

Для дальнейших расчётов нам потребуется вычислить номинальные напряжения питания, нагрузки, токи нагрузки, а также их абсолютные изменения. Так как вычисления были описаны при расчёте параметрического стабилизатора, будут опущены, также как и расчёты коэффициентов стабилизации по напряжению и стабилизации по нагрузке. Результаты расчётов занесены в таблицу 2.6

Таблица 2.6 – Результаты расчётов

На рисунке 2.5 показана зависимость напряжения на выходе от напряжения питания для обеих нагрузок.

На рисунке 2.6 показана зависимость выходного напряжения от тока, потребляемого стабилизатором.

Рисунок 2.5 – График зависимости напряжений

Рисунок 2.6 – График зависимости напряжения от входного тока

Ответы на контрольные вопросы

Какой из стабилизаторов (последовательный или параллельный) обладает большим КПД и почему?

В подавляющем большинстве случаев в радиотехнических устройствах применяются последовательные СН, поскольку при прочих равных условиях параллельные СН имеют более низкий КПД, особенно при малых токах нагрузки. Мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором в таких стабилизаторах, прямо пропорциональна выходному напряжению. Кроме этого, потери мощности происходят и на балластном резисторе. Поэтому параллельные СН находят ограниченное применение при низких, примерно до 5 вольт, выходных напряжениях и постоянной нагрузке. Только в таких условиях их использование окупается единственным достоинством, которое заключается в высокой стойкости этого типа стабилизаторов напряжения к перегрузкам по току вплоть до короткого замыкания нагрузки.

Почему в схеме стабилизатора, изображенном на рисунке 3.1 вместо стабилитрона можно поставить диод, включенный в прямом направлении?

Рисунок 3.1 – Стабилизатор тока

Для начала рассмотрим принцип работы данной схемы: резистор R2 задаёт рабочую точку транзистора, резистор R1 выступает в качестве источника сигнала для обратной связи, а стабилитрон VD1 и резистор R2 служат в качестве параметрического стабилизатора. При увеличении тока, протекающего через транзистор увеличивается падение напряжения на резисторе R1, когда оно превышает напряжение пробоя стабилитрона, то через него протекает ток, который закрывает транзистор. Стоит заметить, что при расчёте падения напряжения на резисторе R1 стоит учитывать падение напряжения на переходе база-эммитер.

В данной схеме стабилитрон можно заменить на выпрямительный диод или несколько диодов соединенных последовательно и включенных в прямом направлении, так как у диода присутствует барьерный потенциал порядка 0,7 В для кремниевого диода. До тех пор пока разность потенциалов между выводами диода не превысит 0,7 В, ток через него протекать не будет.

Стоит отметить, что стабилитроны работают начиная от 3,3 В, что конечно же ведёт применению резистора R1 большего номинала и к большему значению мощности, рассеиваемой на нём.

Что произойдет с регулирующими транзисторами простейших стабилизаторов параллельного и последовательного типа, схемы которых приведены на рисунках 3.2 и 3.3 при КЗ на выходе?

Рисунок 3.2 – Простейший СН параллельного типа с УПТ

Рисунок 3.3 – Простейший СН последовательного типа

Если в место включенной нагрузки сделать КЗ, то в первом случае весь ток пойдет через замыкающий проводник, при этом транзистор тока пропускать не будет (к тому же он будет закрыт, так как U_бэ=0), а во втором случае весь ток пойдёт через транзистор, что приведет его к тепловому пробою.

Каковы основные недостатки стабилизаторов напряжения с усилителями тока?

Основной недостаток описанных в методичке схем СН с УПТ - то, что они имеют фиксированное выходное напряжение, примерно равное напряжению стабилизации стабилитрона. Также стоит отметить, что ни одна из представленных схем последовательных СН в этом разделе не защищена от перегрузки по току.

Как отреагирует базовая схема стабилизатора напряжения, представленная на рисунке 3.4 на неисправность транзистора УПТ?

Рисунок 3.4 – Базовая схема компенсационного СН

Рассмотрим два случая неисправности транзистора УПТ (VT2):

1) сопротивление участка эмиттер-коллектор r_эк=0;

В этом случае на выходе СН установится напряжение равное напряжению на стабилитроне, так как мы получаем эммитерный повторитель с параметрическим СН.

2) сопротивление участка эмиттер-коллектор r_эк=∞ ?

Регулирующий транзистор будет полностью открыт, регулировка осуществляться не будет.

В отличие от схемы на рисунке 3.5 существует другой способ защиты регулирующего транзистора от перегрузок и КЗ. Каков он?

Рисунок 3.5 – Схема СН с защитой от КЗ

В качестве альтернативы можно воспользоваться стабилизатором тока, включенным последовательно с стабилизатором тока, например, как на схеме 3.1, также к этому вопросу можно подойти радикально – воспользоваться плавким предохранителем, включенным последовательно с регулирующим транзистором.

Почему собранный по схеме рис. 13 (см. методичку) стабилизатор имеет гораздо больший коэффициент стабилизации по входному напряжению, чем стабилизатор, изготовленный по базовой схеме?

Затрудняюсь ответить, хоть ответ чёрным по белому написан в методичке, так как не до конца понимаю работу схему.