Исследование параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне.

Соберите схему по рис.2.9.

 

 

Рис. 2.9. Схема для исследования параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне.

Таблица 2.2. Назначение элементов схемы.

 

Элемент	Назначение	Параметры	Увеличение	Уменьшение
Функциональный генератор XFG1	Источник изменяющегося напряжения	Настройки по рис.2.12	-	-
Осциллограф XSC1	Визуальный контроль процессов	Настройки по рис.2.13	-	-
Стабилитрон D1 типа BZX55C7V5	Стабилизация напряжения	Напряжение стабилизации 7,5 Вольт	-	-
Резистор R1	Балластный резистор. Определяет ток через стабилитрон	1 кОм	Уменьшение тока стабилитрона	Увеличение тока стабилитрона
Источник напряжения V1	Источник входного напряжения	+12 V	Увеличивается мощность, рассеиваемая резистором R1	Уменьшается мощность, рассеиваемая резистором R1
J1	Переключатель с фиксированного на изменяющееся напряжение	-	-	-
Пробник1, 2 и 3	Измерение напряжений и токов в контрольных точках схемы	-	-	-

 

Выбор  источника напряжения и переключателя продемонстрирован на рис.2.10 и 2.11.

Переменный резистор (POTENTIOMETR) R2 является нагрузкой схемы.

Пробник1, Пробник2 и Пробник3 – это измерительные пробники (Measurement Probes), взять их можно через главное меню (Main menu), пункты «Моделирование ->Приборы -> Инициализировать измерительный пробник -> Мгновенные значения напряжения и тока» (Simulate -> Instruments -> Preset Measurement Probes -> Instantaneous voltage and current). Или, как обычно, с панели инструментов с кнопки «Использование измерительного пробника» (Measurement Probes), рядом с которой расположен небольшой треугольник, при нажатии на который появится выпадающее меню с возможностью выбора типа пробника (рис.2.12). После выбора пробника курсор мыши изменит вид на такой: . Подведите его к нужной части цепи и щелкните левой кнопкой мыши. Появится зеленый треугольник, вершина которого указывает направление тока на этом участке цепи, принимаемое за положительное, и желтое поле, на котором будут отображаться результаты измерений.

Применение измерительных пробников дает простой способ контроля токов и напряжений в различных участках цепи без излишнего нагромождения измерительных приборов.

Пробник1 показывает напряжение и ток на входе стабилизатора. Пробник2 контролирует ток стабилитрона и напряжение на нем. Пробник3 показывает напряжение и ток нагрузки.

 

 

Рис. 2.10. Выбор источника напряжения

 

 

Рис. 2.11. Выбор переключателя.

 

Рис. 2.12. Выбор измерительного пробника из панели инструментов.

 

Для повышения точности отсчета на Пробнике2, контролирующем режим работы полупроводникового стабилитрона, можно повысить точность отсчета до 5 знаков. Для этого двойным кликом на поле, отображающем измеряемые величины около пробника, открыть окно параметров пробника. На вкладке «Электрические» установить число знаков равное 5, как указано на рис.2.13.

 

 

Рис. 2.13. Повышение точности отсчета пробника.

Запустите процесс моделирования. Переключатель J1 должен находиться в верхнем положении. Запишите показания измерительных пробников.

 

Таблица 2.3.

 

Обозначение на схеме	Что контролирует	Напряжение	Ток
Пробник 1 (Probe1)	Входное напряжение и входной ток
Пробник 2 (Probe 2)	Напряжение и ток стабилитрона
Пробник 3 (Probe 3)	Напряжение и ток нагрузки

 

Соответствуют ли норме токи и напряжения в схеме? Справка: полупроводниковый стабилитрон BZX55C7V5 рассчитан на напряжение стабилизации 7,5 V, максимальный ток стабилизации 53 mA.

Определите выходное сопротивление параметрического стабилизатора. Для этого снимите показания Пробника3, контролирующего ток и напряжение нагрузки, при величине переменного сопротивления нагрузки R2=1 кОм (50%) и R2=2 кОм (100%). Напомним, что изменять величину сопротивления переменного резистора можно клавишей клавиатуры А или сочетанием CTRL-A, а также с помощью мыши. Величины ΔUвых и  Δiн определяются как разности соответствующих напряжений и токов при изменении сопротивления нагрузки.

Изменяя величину переменного резистора R2, определите максимальный ток нагрузки, при котором ток через стабилитрон не опускается ниже допустимого уровня 5 мА.

Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 2.4.

 

Таблица 2.4.

 

	Выходное напряжение, Uвых, V	Ток нагрузки Iн, mA
Сопротивление нагрузки 1 кОм
Сопротивление нагрузки 2 кОм
Разность напряжений ΔUвых		------------
Разность токов ΔIн	-------------
Выходное сопротивление,
Максимально допустимый ток нагрузки	--------------

 

Переведите переключатель J1 в нижнее по схеме положение, при этом на вход стабилизатора будет подаваться линейно изменяющееся напряжение с функционального генератора XFG1.

Величину переменного резистора R2 установите равной 1 кОм (50%).

Установите настройки функционального генератора XFG1 согласно рис.2.12

 

 

Рис. 2.12. Настройки функционального генератора XFG1.

 

Запустите моделирование и двойным кликом на изображении осциллографа откройте его окно. Установите настройки осциллографа согласно рис.2.13. Для получения устойчивого изображения удобно использовать режим синхронизации «Норм» или «Одн». Затем можно остановить моделирование и работать с полученными осциллограммами.

Порядок измерений продемонстрирован на рис.2.13.

Установите курсор Т1 в положение, соответствующее его пересечению с осциллограммой входного напряжения в точке примерно 12 V. Контроль напряжения осуществляется по показаниям в средней части окна осциллографа в графе «Канал А» и строке, соответствующей курсору Т1. Аналогичным образом установите курсор Т2 в положение, соответствующее входному напряжению около 14 V, что означает увеличение входного напряжения на 2 V. В строке Т2-Т1 отобразится разность этих входных напряжений. В графе «Канал В» будут отображены соответствующие положению курсоров величины выходного напряжения, контролируемые этим каналом.

Для более точной установки курсоров можно использовать стрелочки в левой части окна (рис.2.13).

 

 

 Рис. 2.13. Настройки осциллографа и осциллограммы параметрического стабилизатора напряжения.

 

Определите необходимые величины по данным осциллограмм и рассчитайте коэффициент стабилизации по формуле:

 

Kст = ,

 

где Uвх=12,066 V и Uвых=7,525 V – входное и выходное напряжения, ΔUвх и ΔUвых –   соответствующие приращения указанных напряжений при неизменной нагрузке.

Проведите подобные измерения при перемещении курсора Т2 до пресечения его с осциллограммой входного напряжения на уровне около 10 V (курсор Т1 на прежнем месте), что соответствует уменьшению входного напряжения на 2 V.

 

 

Используйте для расчётов программу MathCAD.

 

Пример программы расчета в MathCAD 14.

Расчёт коэффициента стабилизации стабилизатора напряжения

 

Результаты занесите в таблицу 2.5.

Теоретическое расчетное значение коэффициента стабилизации напряжения определите по формуле

 

.

 

Здесь R1 – сопротивление балластного резистора, равное в данном случае 240 Ом, r – дифференциальное сопротивление стабилитрона, определенное в предыдущем пункте.

 

Таблица 2.5.

 

Входное напряжение, Uвх	ΔUвх	Выходное напряжение, Uвых	Δuвых	Измеренное значение коэффициента стабилизации напряжения, Кст	Расчетное значение коэффициента стабилизации напряжения
12 V	+ 2 V
12 V	– 2 V

  

 

Не забывайте останавливать процесс моделирования при завершении работы со схемой.