Исследование параметрического стабилизатора

 

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Измерить и построить вольт-амперную характеристику стабилитрона;

2. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона R_ДИФ;

3. Рассчитать параметрический стабилизатор и исследовать его работу;

4. Сделать выводы.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Стабилитроном называется специальный тип диода, работающий на участке электрического пробоя, на котором для всего рабочего диапазона токов падение напряжения на стабилитроне остается практически неизменным.

На самом деле при изменении тока через стабилитрон напряжение на нем изменяется на небольшую величину. Это изменение может быть определено по формуле ΔU_СТ = R_ДИФΔI_СТ, где R_ДИФ называется дифференциальным сопротивлением стабилитрона, и явлется справочным параметром. Обычно величина R_ДИФ достаточно мала и составляет единицы Ом, что обуславливает небольшое отклонение стабилизированного напряжения от своего номинального значения.

Главной особенностью стабилитрона является наличие у его ВАХ эффекта стабилизации, что используется в устройстве, называемом параметрическим стабилизатором.

Параметрический стабилизатор предназначен для поддержания заданной величины напряжения на нагрузке при воздействии на него возмущающих внешних факторов, таких как нестабильность входного напряжения и нестабильность тока нагрузки.

Работа параметрического стабилизатора (ПС) основана на том, что протекающий через стабилитрон ток может изменяться в зависимости от типа воздействующих на ПС внешних факторов. Так, например, при увеличении входного напряжения увеличивается сила тока, протекающего через резистор R_ОГР. Если при этом ток нагрузки не изменился, то это приводит к увеличению тока в ветви стабилитрона, но если это увеличение не выводит стабилитрон из рабочего участка токов, то напряжение на стабилитроне практически не меняется. Этот процесс и является стабилизацией напряжения на нагрузке.

Главным параметром ПС являетя коэффициент стабилизации K_СТ, который определяется как отношение относительных отклонений входного и выходного напряжений и может быть измерен экспериментально. Так, например, если при относительном отклонеии выходного напряжения на 10%, относительное отклонение выходного напряжения равно 0,5 %, то коэффициент стабилизации для такого устройства равен K_СТ = 10%/0,5% = 20.

При последовательном включении двух стабилитронов возможно увеличение величины напряжения стабилизации, поскольку новое значение напряжения стабилизации будет определяться по формуле: U_СТ = U_СТ1 + U_СТ2. Однако при таком включении следует помнить, что для нормальной работы каждого из стабилитронов следует обеспечить требуемый для него диапазон токов и эти диапазоны могут не совпадать. В этом случае, при включении двух стабилитронов, в качестве нового токового диапазона следует брать максимальное из двух величин I_СТmin1 и I_СТmin2 и минимальное из двух величин I_СТmax1 и I_СТmax2. Недостатком такого включения является возрастание дифференциального сопротивления, поскольку R_ДИФ = R_ДИФ1 + R_ДИФ2. Это приводит к увеличению изменения напряжения на стабилитроне при изменении протекающего через него тока, что снижает коэффициент стабилизации всего параметрического стабилизатора.

При параллельном включении двух стабилитронов имеется возможность для увеличения токового диапазона работы параметрического стабилизатора. Такое включение имеет существенное преимущество, поскольку расширение диапазона I_СТmin … I_СТmax позволяет увеличить величину тока нагрузки.

Параллельное включение также снижает величину дифференциального сопротивления в два раза, что уменьшает величину изменения напряжения на каждом стабилитроне при измении протекающего через него тока. Однако параллельное включение сильно снижает КПД стабилизатора, поэтому включение более, чем двух стабилитронов на практике применяется редко.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Для построения ВАХ стабилитрона следует собрать схему, представленную на рис. 2.1. Задавая значения тока, протекающего через стабилитрон, следует измерять приложенное к нему напряжение. Результаты измерений необходимо занести в табл. 2.1.

2. Для исследования работы параметрического стабилизатора следует собрать схему, представленную на рис. 2.2. Задавая различные значения входного напряжения U_ВХ, следует измерять соответствующие им напряжения на выходе стабилизатора. Результаты измерений следует занести в табл. 2.2.

Для каждого из значений U_ВХ необходимо рассчитать величину коэффициента стабилизации К_СТ по следующей формуле:

где U_{ВХ НОМ} следует сделать раным величине U_ВХ при токе стабилитрона, равном 30 мА (см. табл. 2.2).

Рассчитанные значения K_СТ необходимо также занести в табл. 2.2.

Рис. 2.1 Схема для измерения ВАХ стабилитрона

 

Табл. 2.1 Данные для построения ВАХ стабилитрона
I, мА	1	2	5	10	15	20	30	40	50
U, B

Для определения величины R_ДИФ следует воспользоваться формулой:

где точки A и B следует выбрать в начале и в конце прямого участка ВАХ.

Рис. 2.2 Схема для исследования параметрического стабилизатора

 

Табл. 2.2 Данные для расчета коэффициента стабилизации
UВХ, В
IСТ, мА	5	10	15	20	30	40	50	60	70
UСТ, B
KСТ

 

ВЫВОДЫ

1. Благодаря уникальному свойству ВАХ стабилитрон обладает эффектом стабилизации, что позволяет собирать на его основе параметрический стабилизатор.

2. Номинальный коэффициент стабилизации может быть получен лишь в определенном интервале токов, протекающих через стабилизатор. Снижение величны I_СТ приводит к ухудшению стабилизирующих свойств, а его увеличение может привести к перегреву стабилитрона и утрате стабилизационных свойств.

3. Недостатком параметрического стабилизатора является ограниченность тока нагрузки, который не превышает десятков миллиампер. По этой причине для стабилизации больших токов применяются схемы, работающие по другому принципу.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. ВАХ стабилитрона, построенная по данным табл. 2.1.

2. Величина R_ДИФ, рассчитанная по ВАХ стабилитрона.

3. Значения K_СТ, рассчитанные по данным табл. 2.2.