Розрахунок параметричних стабілізаторів постійної напруги

 

Вихідними даними для розрахунку стабілізаторів є:

- номінальна вихідна напруга Uвих, В;

- номінальний струм навантаження, Ін, А;

- допустиме відносне відхилення вхідної напруги стабілізатора в бік збільшення а_вх і зменшення b_вх, %;

- допустиме відносне відхилення вихідної напруги стабілізатора від номінального значення в бік збільшення а_вих і зменшення b_вих, %;

- допустиме відносне відхилення струму навантаження від номінального значення в бік збільшення с і зменшення d, %.

 

1. Вибираємо тип стабілітрона. Вибір здійснюється на основі отриманих даних розрахунку Uвих, Ін, а_вих, b_вих. З довідників вибираємо наступні параметри стабілітрона:

напругу стабілізації Uст, В;

номінальний, мінімальний та максимальний струми стабілізації І_ст, І_ст.min, І_ст.max, А;

диференційний опір стабілізації r_ст, Ом.

2. Необхідне значення коефіцієнта стабілізації напруги знаходиться з виразу:

(4.1)

3. Визначаємо максимальне значення коефіцієнта стабілізації напруги:

(4.2)

Величина повинна перевищувати значення у 1,2 – 1,5 рази. Якщо ця умова не виконується, потрібно застосувати більш складну двокаскадну схему стабілізатора (рис. 4.1, б).

4. Знаходимо необхідне значення напруги на вході стабілізатора:

(4.3)

5. Визначаємо опір баластного гасильного резистора:

(4.4)

Номінальне значення опору Rб вибираємо зі стандартного ряду з відхиленням, не більшим за + 10% від розрахункового значення.

6. Потужність розсіювання резистора Rб розраховується за формулою:

(4.5)

7. Знаходимо максимальне розрахункове значення струму стабілізації:

(4.6)

Необхідною умовою нормальної роботи стабілізатора є збереження залежності:

 

(4.7)

При неможливості виконання умови (4.7) необхідно вибрати інший стабілітрон і повторити розрахунки.

8. Знаходимо номінальне значення вхідного струму стабілізатора:

(4.8)

9. Визначаємо максимальне значення вхідного струму стабілізатора:

(4.9)

10. Розраховуємо коефіцієнт корисної дії стабілізатора:

(4.10)

При використанні в схемі стабілізатора напруги термокомпенсуючих діодів (рис. 4.1, в) усі наведені вище співвідношення залишаються в силі, а замість значення r_ст необхідно підкласти r_ст + r_д.пр , де r_д.пр – сума диференційних опорів термокомпенсуючих діодів, а замість Uст використати Uст + Uпр, де Uпр – сума спадів напруг на діодах в прямому напрямку, В (вибирається з довідника).

Розрахунок двокаскадного стабілізатора напруги (рис. 4.1, б) здійснюється за формулами, які наведені вище для однокаскадної схеми, з врахуванням того, що Uвих першого каскаду є Uвх для другого, а загальний коефіцієнт стабілізації є добутком К_СТ кожного каскаду, тобто:

(4.11)

Розрахунок параметричного стабілізатора з підсилювачем струму (рис. 4.2) проводиться згідно заданих максимальних значень вихідної напруги Uвих та струму навантаження Ін.

1. Визначаємо необхідну мінімальну напругу на вході стабілізатора:

(4.12)

Цифра 3 у виразі (4.12), яка характеризує мінімальну напругу між колектором та емітером транзистора VT1, враховує використання у схемі стабілізатора як кремнієвих, так і германієвих транзисторів.

2. Максимальна потужність розсіювання транзистора знаходиться з виразу:

(4.13)

3. Вибираємо тип підсилювального транзистора з довідника. Його параметри повинні задовольняти умови:

(4.14)

(4.15)

4. Максимальний струм бази регулюючого транзистора визначається за формулою:

, (4.16)

де - коефіцієнт підсилення струму вибраного типу транзистора.

5. Вибираємо необхідний тип стабілітрона. Значення максимального струму стабілізації стабілітрона повинно перевищувати значення , а напруга стабілізації Uст повинна бути хоча б на 20% більшою за Uвх.

6. Опір резистора R1 знаходиться з виразу:

(4.17)

7. Потужність резистора R1 визначається за формулою:

(4.18)

 

Опис лабораторної установки

 

Досліджування роботи параметричних стабілізаторів постійної напруги проводиться на лабораторному столі, де встановлюють наступні прилади:

1) макет стабілізатора,

2) набір монтажних провідників,

3)джерело живлення постійної напруги,

4) два мультиметри.

 

4.3 Порядок виконання роботи

 

4.3.1 За даними завдання розрахувати та вибрати елементи схеми стабілізатора.

4.3.2 Ознайомитись з лабораторною установкою.

4.3.4 Скласти структурну схему дослідження одного з стабілізаторів.

4.3.5 Ввімкнути один мультиметр в режимі вимірювання постійної напруги на вході стабілізатора, а інший, в такому ж режимі вимірювань, на його вихід.

4.3.6 Виставити на джерелі живлення постійної напруги амплітуду напруги, рівну 9В.

4.3.7 Під’єднати джерело живлення до входу схеми, уважно стежачи за тим, щоб полярність ввімкнення блока живлення відповідала вказаній на макеті.

4.3.8 Записати покази обох мультиметрів.

4.3.9 Покроково збільшуючи напругу джерела живлення на 1 вольт записувати покази обох мультиметрів. Дослід продовжувати до напруги джерела живлення 16 В.

4.3.10 Отримані дані занести в таблицю.

4.3.11 Аналогічні дії провести з іншим стабілізатором.

4.3.12 Розрахувати коефіцієнти стабілізації, порівняти отримані дані і вияснити, які характеристики однієї схеми стабілізатора кращі за характеристики іншої.

4.3.13 Побудувати вольтамперну характеристику стабілітрона.

 

Оформлення та захист звіту

 

Звіт з лабораторної роботи оформляється на окремих аркушах, або в зошиті з лабораторних робіт. Титульна сторінка звіту, підписується згідно вимог вищої школи, де вказується, назва вузу, кафедри та назва і номер лабораторної роботи. Нижче вказується прізвище і група студента та поточний навчальний рік.

У звіті повинні бути вказані мета роботи та завдання для її виконання, видане кожному студенту індивідуально. Нижче необхідно навести структурну чи функціональну, а також принципову електричну схеми лабораторної установки або стенду. Далі наводяться необхідні розрахункові вирази і отримані результати обрахунків. Потім, у вигляді графіків і таблиць наводяться покази контрольно-вимірювальних приладів, використаних у роботі.

В кінці звіту наводиться висновок, де коротко вказуються результати виконання роботи.

Повністю оформлений і підписаний студентом звіт подається викладачеві до захисту в кінці заняття.

Виконання лабораторної роботи здійснюється в кілька етапів. На першому занятті студент отримує від викладача завдання, вивчає теоретичні відомості з методичних вказівок та інших джерел і розраховує елементи схеми. На початку наступного заняття студент здає допуск до виконання роботи. Потім він підбирає потрібні елементи і з’єднує їх так, щоб отримати необхідну схему параметричного стабілізатора. Після цього проводиться дослідження схеми, зняття усіх необхідних даних та оформлення звіту. За виконання роботи студент отримує певну кількість балів, передбачених робочою програмою дисципліни. У кінці заняття повністю оформлений звіт подається викладачеві для перевірки і захисту.

 

4.5 Контрольні запитання

 

1. Що таке стабілітрони, які вони бувають?
2. Навести характеристики стабілітронів.
3. Пояснити принцип дії параметричних стабілізаторів постійної напруги.
4. Навести характеристики параметричних стабілізаторів постійної напруги.
5. Порівняти одно- та багатокаскадні схеми параметричних стабілізаторів постійної напруги. Визначити їхні переваги та недоліки.
6. Пояснити доцільність застосування ланок термокомпенсації у параметричних стабілізаторах постійної напруги.
7. Чи працюватиме параметричний стабілізатор постійної напруги при безмежно великому опорі навантаження?.
8. Чи можна для підвищення струму стабілізації застосовувати паралельне з’єднання стабілітронів?
9. Що таке коефіцієнт корисної дії параметричного стабілізатора і як він розраховується?
10. Чи може стабілітрон працювати як діод?
11. В чому різниця між одно- та двох анодними стабілітронами?
12. Які переваги та недоліки параметричних стабілізаторів постійної напруги?
13. Чи впливає ємність фільтруючих конденсаторів на якість роботи параметричних стабілізаторів постійної напруги?
14. Для чого в параметричному стабілізаторі використовується баластний гасильний резистор?
15. Як впливають ланки термокомпенсації на якість роботи параметричного стабілізатора?
16. В яких межах може змінюватись струм стабілізатора по відношенню до струму стабілітрона?

Лабораторна робота № 6