Робота 9. Дослідження параметричного стабілізатора напруги.

Мета роботи

 

Дослідним шляхом зняти вольт-амперну характеристику стабілітрона, визначити його параметри, порівняти з довідковими даними і дослідити вплив навантаження на точність стабілізації напруги стабілітроном.

 

Теоретичні відомості

 

Стабілітронами називають напівпровідникові діоди, призначені для стабілізації напруги. Вони працюють при оберненому включенні, а їхні стабілізуючі властивості пояснюються особливістю зворотної вітки вольт амперної характеристики (рис.9.1).

Рис.9.1. Вольт-амперна характеристика стабілітрона.

 

Робочою ділянкою характеристики є відрізок АВ, що проходить майже паралельно до осі струму і відповідає режиму неруйнівного електричного пробою у стабілітроні. Як видно з рис.9.1,в області електричного пробою спад напруги на стабілітроні U_ст залишається практично постійним при значних змінах струму стабілізаці I_ст.

Характер вольт-амперної характеристики стабілітрона в області електричного пробою пояснюється властивостями p-n переходу. При оберненій полярності прикладеної напруги електричне поле, яке створене джерелом живлення, накладається на поле переходу і посилює його. Внаслідок цього потенціальний бар'єр між областями зростає і p-n перехід закривається для основних носіїв. Однак, електричне поле переходу залишається прискорюючим для неосновних носіїв: електронів з p-області і дірок з n-області. Під дією поля неосновні носії вільно рухаються через перехід, створюючи невеликий зворотний струм. Оскільки концентрація неосновних носіїв низька, то зворотний струм швидко досягає насичення I_о і в певному інтервалі майже не залежить від величини прикладеної напруги. Це відповідає відрізку ОА оберненої вітки характеристики (рис.9.1).

З ростом зворотної напруги зростають напруженість поля і кінетична енергія носіїв струму. При оберненій напрузі, близькій до U_ст , починаються процеси електростатичної і ударної іонізації атомів напівпровідника. В результаті іонізації утворюються нові пари вільних електронів і дірок, які, в свою чергу, розганяються полем і утворюють зростаюче число носіїв струму. Ці процеси носять лавиноподібний характер, призводять до різкого зростання струму через перехід і називаються електричним пробоєм. В області стійкого електричного пробою значні зміни струму визиваються незначними змінами прикладеної напруги, що і пояснює хід ділянки АВ вольт-амперної характеристики стабілітрона. При зменшенні прикладеної напруги властивості p-n переходу відновлюються.

Вольт-амперна характеристика стабілітрона при прямому включенні нічим не відрізняється від характеристики звичайного напівпровідникового діода.

Явище електричного пробою супроводжується значним виділенням теплової енергії в зоні p-n переходу. Неконтрольоване збільшення напруги може привести до переростання електричного пробою у тепловий з повним руйнуванням p-n переходу.

Основним матеріалом для виготовлення стабілітронів служить кремній, тому що він здатний витримувати більші теплові навантаження порівняно з германієм. Площинні стабілітрони виготовляють за сплавною або дифузійно-сплавною технологією. Для цього в пластинку кремнію n-типу вплавляють алюміній, який служить акцепторною домішкою для кремнію. Кристал з утвореним p-n переходом поміщають в герметичний корпус. Стабілітрони виготовляються на напруги стабілізації від кількох вольт до кількох сотень вольт.

Добитися стабілізації напруги можна і на прямій вітці вольт-амперної характеристики. Стабілізуючі діоди, котрі працюють в області електричного пробою при прямому включенні, називають стабісторами. Характерною для стабісторів є низька напруга стабілізації, яка не перевищує трьох вольт.

Промисловістю випускаються також двоанодні стабілітрони, які стабілізують напругу обох полярностей.

Основними характеристиками стабілітронів є:

1.Напруга стабілізації U_ст - спад напруги на стабілітроні при номінальному значенні струму стабілізації.

2.Номінальний струм стабілізації I_ст.ном - значення постійного струму, при якому визначається напруга стабілізації.

3.Мінімальний і максимальний струми стабілізації I_cт.min і I _ст.max - визначають межі допустимих значень струму стабілізації.

4.Диференціальний опір r_д - відношення приросту напруги стабілізації до відповідного невеликого приросту струму стабілізації

.

5.Температурний коефіцієнт напруги стабілізації К_t - відношення зміни напруги стабілізації до зміни температури при середньому значенні струму стабілізації I_cт.ср

.

Стабілітрони знаходять широке застосування в різноманітних пристроях електроніки, як джерела стабільної (опорної) напруги, наприклад, використовуються в параметричних стабілізаторах напруги.

Найпростіша схема параметричного стабілізатора напруги складається з баластного резистора R_б і стабілітрона D, включених послідовно (рис.9.3).

При зміні струму в навантаженні вихідна напруга залишається практично незмінною, так як вона визначається спадом напруги на стабілітроні U_вих=U_ст. Очевидно, що стабілізація напруги при зміні струму через стабілітрон можлива при зміні внутрішнього опору стабілітрона, тобто його параметру.

Рис.9.2. Параметричний стабілізатор напруги.

 

Ефективність роботи стабілізатора характеризується коефіцієнтом стабілізації, рівним відношенню зміни вхідної напруги до вихідної

.

Для нормальної роботи стабілізатора струм у навантаженні повинен бути меншим від струму через стабілітрон I_н<I_ст.

Для збільшення напруги стабілізації допускається послідовне з'єднання стабілітронів з однаковим струмом стабілізації. Паралельна робота стабілітронів не допускається через різні умови пробою. Після пробою одного із стабілітронів напруга стабілізується тому в іншому пробій може не відбутися.

Недоліками параметричних стабілізаторів є:

а) мале значення коефіцієнта стабілізації, особливо при великих струмах навантаження;

б) неможливість регулювання вихідної напруги.

Цих недоліків позбавлені компенсаційні стабілізатори, що є автоматичними регуляторами, в яких фактична вихідна напруга порівнюється з еталонною (опорною) напругою. Різницевий сигнал підсилюється і впливає на регулюючий елемент стабілізатора таким чином, щоб вихідна напруга наближалась до еталонного рівня. В якості джерела опорної напруги, як правило, використовують параметричний стабілізатор. Розглянемо структурну схему стабілізатора послідовної дії (рис. 9.3).

 

Рис. 9.3. Структурна схема компенсаційного стабілізатора послідовного типу.

 

Різницевий сигнал неузгодженості U_н – U_оп поступає на вхід підсилювача постійного струму (ППС), підсилюється і впливає на регулюючий елемент РЕ. При позитивному сигналі неузгодження (U_н – U_оп <0), внутрішній опір РЕ збільшується і спад напруги на ньому збільшується. Оскільки РЕ і навантаження включені послідовно, то при збільшенні U_РЕ вихідна напруга зменшується, наближаючись до U_оп . При від’ємному сигналі неузгодження (U_н – U_оп <0), навпаки, внутрішній опір РЕ і спад напруги на ньому зменшуються, що викликає збільшення вихідної напруги U_н.

Широко поширені схеми стабілізаторів напруги на основі операційних підсилювачів (ОП). Найпростіша схема стабілізатора напруги на ОП, що може бути використана при малих струмах навантаження, подана на рис. 9.4.

 

Рис. 9.4. Схема малопотужного компенсаційного стабілізатора на ОП.

 

Напруга на виході схеми:

.

Для формування опорної напруги U_оп використаний параметричний стабілізатор на резисторі R₂ та стабілітроні VD. Змінюючи опір в колі зворотного зв’язку R_зз, можна регулювати вихідну напругу схеми.

При великих струмах навантаження використовують компенсаційний стабілізатор напруги послідовного типу на ОП, схема якого приведена на рис. 9.5.

 

Рис. 9.5. Типова схема компенсаційного стабілізатора послідовного типу.

 

Промисловість випускає також інтегральні стабілізатори напруги компенсаційного типу. В якості джерела опорної напруги в схемах інтегральних стабілізаторів крім стабілітронів використовується транзистор, включений за схемою каскаду з СБ, що виконує роль генератора стабільного струму. Регулюючий елемент, як правило, являє собою складний транзистор, що складається із двох або декількох окремих транзисторів, кількість яких визначається вимогами до параметрів стабілізатора. Підсилюючим елементом схеми інтегрального стабілізатора є операційний підсилювач або в деяких випадках диференційний каскад.

В серії К142 випускаються три типи інтегральних компенсаційних стабілізаторів напруги:

1) з регульованою вихідною напругою (К142ЕН1-4);

2) з фіксованою вихідною напругою (К142ЕН5А, Б);

3) з двополярною вхідною та вихідною напругою (К142ЕН6).

Інтегральні стабілізатори з фіксованою напругою серії К142ЕН5А, Б мають вихідну напругу 5 чи 6 В в залежності від типу мікросхеми. Стабілізатори містять захист від перевантажень по струму і тепловий захист, що спрацьовує при температурі кристала до +175 ° С. На виході стабілізатора необхідно включати конденсатор С≥10 мкФ для забезпечення стійкості при імпульсній зміні струму навантаження.

Інтегральні стабілізатори з регульованою вихідною напругою передбачають підключення зовнішнього дільника зворотного зв’язку, елементів частотної корекції і резисторів кола захисту. Найпоширеніші малопотужні стабілізатори К142ЕН1,2 і стабілізатори середньої потужності К142ЕН3,4. Малопотужні інтегральні стабілізатори доцільно застосовувати при вихідних напругах від 3 до 30В і струмах навантаження 0,005...0,1 А. Інтегральні стабілізатори середньої потужності доцільно застосовувати при струмах до 1А.

 

Програма роботи

 

1.Зібрати схему дослідження стабілітрона.

2.Зняти вольт-амперну характеристику стабілітрона при прямому включенні напруги живлення I_пр=f(U_пр).

3.Зняти вольт-амперну характеристику стабілітрона при оберненому включенні напруги живлення I_зв=f(U_зв).

4.Зняти навантажувальну характеристику параметричного стабілізатора на основі стабілітрона.

5.Визначити коефіцієнт стабілізації параметричного стабілізатора.

6. За вольт-амперною характеристикою визначити основні параметри досліджуваного стабілітрона і порівняти з довідковими даними.

7. Зібрати схему дослідження інтегрального стабілізатора напруги.

8. Зняти навантажувальну характеристику інтегрального стабілізатора.

9. Визначити коефіцієнт стабілізації інтегрального стабілізатора напруги.

10.Визначити внутрішній опір стабілізатора напруги.

11.Визначити коефіцієнт згладжування пульсацій стабілізатора.

 

 

9.4. Опис схеми дослідження.

 

Рис.9.6. Схема дослідження параметричного стабілізатора напруги.

R1-резистор 470 Ом; VD1- стабілітрон КС157Ж; R2- резистор змінний - 47 Ом; SA1-тумблер; PA1-прилад Ц43101; PA2-прилад Ц43342; PV1- прилад Ф4373.

 

Схема дослідження стабілітрона приведена на рис.9.6. Живлення схеми здійснюється від стабілізатора + 15 V блока живлення БП. Баластний резистор R1 служить для обмеження струму стабілітрона при електричному пробої.

За допомогою ключа SA1 паралельно до стабілітрона приєднується опір навантаження R2 для дослідження стабілітрона у режимі параметричного стабілізатора напруги.

Схема дослідження інтегрального стабілізатора приведена на рис.9.7.

Рис.9.7. Схема дослідження інтегрального стабілізатора.

 

Схема дослідження інтегрального стабілізатора приведена на рис.9.7. Живлення схеми здійснюється від стабілізатора + 15 V блока живлення БП. Конденсатори у вхідному та вихідному колах виконують роль фільтрів. Вихідний струм I_OUT знімати із опаору навантаження 1кОм.

Порядок виконання роботи

 

1.На монтажній панелі з елементів набору складіть схему дослідження стабілітрона згідно з рис.9.6. Ручку регулювання напруги +15V виведіть в ліве крайнє положення. У присутності викладача ввімкніть блок живлення та вимірювальний прилад. Прослідкуйте, щоб вимикач SA1 був розімкнутий.

2.Змінюючи ручкою +15V напругу живлення схеми U_ж від мінімального значення до максимального ступенями в 2 V, зніміть пряму вітку вольтамперної характеристики стабілітрона I_пр=f(U_пр). Дані занесіть у табл.9.1.

Таблиця 9.1

Uж, V
Uпр, V
Iпр, V

 

За даними таб.9.1 побудуйте пряму вітку вольт-амперної характеристики.

3.Витягніть панель зі стабілітроном, розверніть на 180° і знову вставте у ті ж гнізда монтажної панелі таким чином, щоб напруга до стабілітрона була прикладена у зворотному напрямку.

Змінюючи напругу U_ж ручкою +15 V блока живлення від мінімального до максимального значення ступенями 2 V, зніміть обернену вітку вольтамперної характеристики стабілітрона I_зв=f(U_зв). Дані занесіть у табл.9.3.

Таблиця.9.2.

Uж, V
Uзв, V
Iзв, V

 

За даними табл.9.2 побудуйте зворотну вітку вольт-амперної характеристики стабілітрона.

4.Для зняття навантажувальної характеристики U_н(I_н) приєднайте навантаження R2 за допомогою ключа SA1. Установіть напругу живлення схеми рівну 18 V. Плавно змінюючи величину резистора R2, встановлюйте струм у навантаженні I_н, рівний 5, 10, 15, 20, 25 mA, та вимірюйте величину напруги на навантаженні мультиметром. Дані занесіть у табл.9.3.

 

Таблиця 9.3

Iн, mA
Uн, V

 

За даними табл.9.3 побудуйте навантажувальну характеристику параметричного стабілізатора.

5.Для визначення коефіцієнта стабілізації зафіксуйте струм у навантаженні, рівний 20 mA. Змініть напругу на вході схеми на 1 V та виміряйте зміну напруги на навантаженні. Дані занесіть у табл.9.4.

 

Таблиця 9.4

Uвх, V	DUвх, V	Uвих, V	DUвих, V	Kст

 

За даними табл. 9.4 розрахуйте коефіцієнт стабілізації стабілізатора K_cт.

6.За вольт-амперними характеристиками визначіть основні параметри стабілітрона і порівняйте з довідковими даними.

7.На монтажній панелі з елементів набору складіть схему дослідження інтегрального стабілізатора згідно з рис.9.7. Ручку регулювання напруги +15V виведіть в ліве крайнє положення. У присутності викладача ввімкніть блок живлення та вимірювальний прилад.

8.Для зняття навантажувальної характеристики U_н(I_н) приєднайте навантаження. Встановіть напругу живлення схеми рівну 9 V. Плавно змінюючи величину резистора навантаження, встановлюйте струм у навантаженні I_н, рівний 5, 10, 15, 20, 25 mA, та вимірюйте величину напруги на навантаженні мультиметром. Дані занесіть у табл.9.6.

 

Таблиця 9.6

Iн, mA
Uн, V

 

За даними табл.9.6 побудуйте навантажувальну характеристику компенсаційного стабілізатора.

9.Для визначення коефіцієнта стабілізації зафіксуйте струм у навантаженні, рівний 200 mA. Змініть напругу на вході схеми на 1 V та виміряйте зміну напруги на навантаженні. Дані занесіть у табл.9.7.

 

Таблиця 9.7

Uвх, V	DUвх, V	Uвих, V	DUвих, V	Kст

 

За даними табл. 9.7 розрахуйте коефіцієнт стабілізації інтегрального стабілізатора K_cт. Зробіть висновки.

 

9.6. Контрольні запитання

 

1. Яке призначення стабілітронів?

2. Як класифікуються та позначаються стабілітрони?

3. Який вигляд має вольт-амперна характеристика стабілітрона і як вона пояснюється?

4. Які основні характеристики стабілітронів?

5. При якому включенні працюють стабілітрони?

6. В якому режимі працюють стабілітрони?

7. У чому полягає електричний пробій p-n переходу?

8. Які особливості роботи стабісторів?

9. Як працюють двоанодні стабілітрони?

10. Наведіть приклади застосування стабілітронів?

11.Які переваги стабілізаторів в мікроелектронному виконанні?

12.Який принцип роботи компенсаційних стабілізаторів?

13.Що виступає джерелом опорної напруги в компенсаційних стабілізаторах?

14.Що виконує роль ППС в компенсаційних стабілізаторах?

15.Які типи інтегральних стабілізаторів випускаються в серії К142?

16.Які відмінності в схемі включення інтегральних стабілізаторів із регульованою вихідною напругою?