Параметрический стабилизатор расчет тока

Напряжения

Цель работы — изучение принципа действия пара­метрического стабилизатора напряжения, его исследова­ние при изменении входного напряжения и нагрузки, расчет коэффициента стабилизации и выходного сопро­тивления (рис. 49).

Пояснения. Для питания радиоэлектронной аппарату­ры обычно используют стабилизированные источники. Особенно широко их применяют в аппаратуре на тран­зисторах и микросхемах. Идеальный стабилизатор дол­жен обеспечивать абсолютное постоянство выходного на­пряжения. В реальном стабилизаторе выходное напря­жение все же зависит от входного. Стабильность выход­ного напряжения оценивают коэффициентом стабилиза­ции:

где — изменение входного напряжения;

—изменение выходного напряжения, вызванное изменени­ем входного.

Стабилизаторы одновременно со стабилизацией сгла­живают пульсации выпрямленного напряжения, т. е. яв­ляются активными фильтрами.

В параметрических стабилизаторах напряжения ис­пользуется малая зависимость напряжения на стабилитроне от проходящего через него тока (см. ВАХ стаби­литрона). Входное напряжение U_вx (рис. 50) распределяется между ограничивающим резистором R_огр и параллельно включенными стабилитроном VD и резстором нагрузки R_н. Изменение входного напряжения сопровождается изменением входного тока I_вх.При этом изменяются напряжения на ограничивающем резисторе и незначительно на стабилитроне и нагрузке, по­скольку рабочий участок ВАХ стабилитрона исе же име­ет некоторый наклон по отношению к оси При изме­нении нагрузки происходит перераспределение токов и I_н между стабилитроном и нагрузкой, а общий ток остается неизменным.

Стабилитрон работает нормально, если при полном изменении входного напряжения и нагрузки ток через стабилитрон I_ст останется в пределах которыми ограничивается рабочий участок ВАХ.

Параметрический стабилизатор позволяет получить k_cт = 20 – 30. Больший k_ст можно получить, включив последовательно два стабилизатора (при таком включе­нии второй низковольтный стабилизатор будет питаться предварительно стабилизированным выходным напряже­нием первого высоковольтного). Однако при этом чрез­вычайно низок кпд схемы (несколько процентов).

Короткое замыкание на выходе стабилизатора не выводит его из строя, а лишь увеличивает мощность, рассеиваемую на резисторе

Отключение нагрузки (холостой ход на выходе) пере­водит стабилизирующий элемент в наиболее тяжелый ре­жим, так как через него протекает весь входной ток I_вх, а напряжение остается прежним. Максимальную мощ­ность стабилитрона рассчитывают по формуле

Важным параметром стабилизатора является его вы­ходное сопротивление

где —изменение напряжения на нагрузке, вызван­ное изменением ее тока

Выходное сопротивление позволяет оценить нагрузоч­ную способность стабилизатора: чем оно меньше, тем меньше выходное напряжение зависит от нагрузки.

Для расчета коэффициента стабилизации исследуе­мой схемы можно применить формулу, следующую из формулы (15):

где —средние входное и выходное напря­

жения; ΔU«_Rн — изменение выходного напряжения, вы­званное изменением входного

Порядок выполнения работы

1. Вычертить табл. 20 для записи напряжений и то ков в различных точках схемы стабилизатора, а также координатные оси (рис. 51) для построения зависимости мощности, выделяющейся на стабилитроне, от сопротив­ления нагрузки для двух значений входного напряжения:

(масштаб по осям: — в 1 см 50 мВт; R2 — в 1 см 0,25 кОм).

2. Зарисовать электрическую схему параметрического стабилизатора напряжения (см. рис. 49) и собрать ее, пользуясь графическими обозначениями на сменной па­нели 87Л-01/10.

3. Измерить ток нагрузки I_н и напряжение на ней, а также напряжение пульсаций на нагрузке напряжение на первом конденсаторе фильтра Uc₁ и напряжение пульсаций на этом конденсаторе . Ре­зультаты измерений занести в табл. 20.

4. Вычислить напряжение на ограничивающем резисторе (на рис. 50 — это резистор ), входной ток стабилизатора, ток через стабилитрон и рассеивае­мую на нем мощность Результаты вычислений занес­ти в табл. 20.

5. Построить графики зависимости мощности, рассеи­ваемой на стабилитроне, от сопротивления нагрузки для двух значений напряжения сети.

6. Рассчитать максимальную мощность, рассеивае­мую на ограничивающем резисторе R1 при коротком за­мыкании на выходе стабилизатора и максимальном на­пряжении сети (17,25 В), пользуясь формулой (16), в которой

7. Рассчитать максимальную мощность, рассеивае­мую на стабилитроне при холостом ходе на выходе ста­ билизатора (при отключенном резисторе нагрузки R2) и максимальном напряжении сети (17,25 В), пользуясь формулой (17).

8. Измерить основныесоставляющие нестабильности выходного напряжения и (на рис. 50 резис­тор обозначен ). Вычислить выходное сопротивле­ние и коэффициент стабилизации схемы, используя фор­мулы (18) и (19).

3.1. Параметрический стабилизатор

Цель работы: изучение характеристик и измерение параметров параметрического стабилизатора.

1. Собрать схему параметрического стабилизатора напряжения (рис.

Напряжение источника постоянного напряжения V1

Сопротивление гасящего резистора R1 рассчитать по формуле

R1 = (U1 – Uст) / (Iст+ IRH),

Сопротивление нагрузки RHном рассчитать по формуле

RHном = Rст = Uст / Iст.

Варианты. Основные параметры стабилитронов.

Результаты измерений. Зависимость выходного напряжения стабилизатора от напряжения на входе.

2. Изменяя напряжение U1 источника V1, в соответствии с табл. 3.2, снять амплитудную характеристику параметрического стабилизатора напряжения. Результаты занести в табл.3.2. Графически отобразить зависимость выходного напряжения стабилизатора от напряжения на его входе Uвых(U1).

Выполнение: вызвать окно настройки анализа через

МоделированиеВид анализаИзменение параметров….

Настройки — начальное напряжение источника напряжения Старт 1В, конечное Стоп 4?Uст (рис. 3.2). Выбрать переменную V(2). Нажать Моделировать. Пример амплитудной характеристики стабилитрона показан на рис. 3.3.

Рис. 3.2. Окна настройки параметров анализа.

Рис. 3.3. Пример амплитудной характеристики стабилитрона 1N4728.

3. Определить напряжение стабилизации Uст0 (начало горизонтального участка амплитудной характеристики).

4. Изменяя напряжение на входе стабилизатора, установить на выходе напряжение Uст0. Зафиксировать значение Uвх0. Увеличить напряжение на входе стабилизатора на 1В, измерить Uвых и определить

ΔUвых = Uвых – Uст0.

5. Определить значение коэффициента стабилизации:

Kст = (ΔUвх/Uвх) / (ΔUвых/Uст0),

Результаты измерений. Зависимости от сопротивления нагрузки.

6. Определить значение тока в нагрузке:

Pвых = Uвых2 / RH

определить мощность на выходе стабилизатора.

Iвх= (Uвых– U1) / R1

определить входной ток стабилизатора.

определить мощность на входе стабилизатора.

определить коэффициент полезного действия параметрического стабилизатора напряжения. Результаты измерений и расчётов занести в табл. 3.3.

9. Установить величину сопротивления нагрузки RH = 0,9 RHном. Зафиксировать соответствующую величину Uвых.

Определить соответствующий ток нагрузки Iн = Uвых / RH.

Определить внутреннее сопротивление стабилизатора:

где ΔUвых= Uст0 – Uвых; ΔIн = Iн0 – Iн.

Изменяя значение сопротивления нагрузки RH в соответствии с табл. 3.3 определить соответствующие значения Rст(п. 7-9).

Параметрический стабилизатор расчет тока

в
исит от тока, протекающего через стабилитрон), рис.2.

При колебаниях входного напряжения или сопротивления нагрузки изменяется ток I_СТ, протекающий через стабилитрон. Однако обратное напряжение U_СТ остается практически постоянным. Небольшое изменение напряжения стабилизации U_СТ может быть учтено через дифференциальное сопротивление прибора , приводимое в справочниках. Для поддержания режима стабилизации необходимо, чтобы величина тока стабилизации I_СТ находилось в пределах I_{СТ MIN} … I_{СТ MAX}, где I_{СТ MIN} , I_{СТ MAX} – минимальное и максимальное значения обратного тока стабилитрона, приводимое в справочниках. Обычно I_{СТ MIN}=1. 3 mА для маломощных стабилитронов, у которых максимальных обратный ток не превышает 100 mА.

Балластный резистор R_Б ограничивает ток, протекающий через стабилитрон. Благодаря R_Б величина обратного тока не превышает I_{CT MAX} и тем самым предотвращается необратимый тепловой пробой опорного диода VD.

1. Расчет параметрического стабилизатора по схеме рис.1.

Исходными данными для расчета стабилизатора напряжения, рис.1, являются:

• Выходное напряжение (напряжение на нагрузке) U_ВЫХ;
• Максимальный ток нагрузки I_{Н MAX};
• Минимальный ток, потребляемый нагрузкой I_{Н MIN};
• Требуемый коэффициент стабилизации K_СТ;
• Допустимые процентные отклонения входного напряжения от номинального значения в сторону его уменьшения и увеличения ;
• Выходное сопротивление источника входного напряжения (выпрямителя и фильтра) по постоянному току R_ВЫХ.

Порядок расчета стабилизатора следующий:

1. Выбирают стабилитрон и определяют предельно достижимое значение коэффициента стабилизации K_{СТ ПР}

, где

U_ВЫХ [В] – выходное напряжение;

[%] – допустимое процентное уменьшение входного напряжения по сравнению с номинальным;

I_{Н MAX} [A] – максимальный ток, потребляемый нагрузкой;

I_{СТ MIN} [A] – минимальный обратный ток выбранного стабилитрона;

r_Д [Ом] – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Примечание: в общем виде коэффициентом стабилизации напряжения называют частное от деления относительного изменения напряжения на входе на относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора .

Величина K_{СТ ПР} должна быть больше требуемого коэффициента стабилизации в 1,3…1,5 раза. Если данное условие не выполняется, следует выбрать другой стабилитрон или перейти к более сложной схеме стабилизатора.

1. Находят необходимое входное напряжение , где K_СТ – заданный (требуемый) коэффициент стабилизации.
2. Рассчитывают сопротивление балластного резистора ,

где R_ВЫХ – выходное сопротивление источника входного напряжения (выпрямителя и фильтра) по постоянному току.

1. Определяют максимальный ток стабилитрона по формуле:

,

где I_{Н MIN} – минимальный ток нагрузки;

— допустимое процентное увеличение входного напряжения.

Если нагрузка постоянна, то I_{Н MAX}=I_{Н MIN}. Значение максимального обратного тока выбранного стабилитрона должно превышать значение I_{СТ MAX}, рассчитанное по формуле (4). Если это условие не выполняется, можно попытаться подобрать другой стабилитрон. В случае неудачи реализация параметрического стабилизатора по схеме рис.1 с заданными требованиями невозможна и следует использовать усилитель тока нагрузки.

Рассмотрим пример расчета стабилизатора.

Пусть необходим стабилизатор напряжения, поддерживающий на нагрузке напряжение примерно 10В. Минимальный ток нагрузки 5mA, максимальный – 15 mA. Требуемый коэффициент стабилизации не менее 25. Допустимое отклонение входного напряжения от номинального значения 10%. Выходное сопротивление стабилизатора равно 25 Ом.

В соответствии со справочными данными, одним из подходящих стабилитронов является Д810 со следующими параметрами: U_СТ=9…10,5 В; I_СТ=3…26 mA; r_Д=12 Ом.

Используя (1) оценим предельно возможный коэффициент стабилизации . Это более чем в 1,5 раза больше требуемого коэффициента стабилизации.

Определим необходимое входное напряжение в соответствии с (2): .

Рассчитаем сопротивление балластного резистора по формуле (3): .

Оценим максимальный ток стабилитрона в соответствии с (4):

.

Полученный максимальный ток стабилизации меньше предельно допустимого обратного тока стабилитрона (20mA

Вариант

Схема простейшего параметрического стабилизатора, построенного на полупроводниковом стабилитроне, представлена на ри

11 10 2014
1 стр.

«включение-выключение» компьютера, повышенным гудением техники. Все это является результатом воздействия некачественного электропитания на наши с вами бытовые приборы

11 10 2014
1 стр.

К зависит от напряжения и числа витков при данной мощности трансформатора, Ua активное составляющее напряжения короткого замы­ка­ния, Loб- высота обмоток, d12 средний диаметр обмот

04 09 2014
1 стр.

Используется принцип работы регулируемого автотрансформатора, т е входное напряжение транслируется на выход с добавлением (вычитанием) недостающего (избыточного) напряжения

11 10 2014
1 стр.

Одной из наиболее распространенных причин, приводящих к некорректной работе или выходу из строя дорогостоящего электрооборудования, являются скачки напряжения

11 10 2014
1 стр.

Ключевые слова: реология, касательные напряжения, нормальные напряжения, ползучесть, сопротивляемость грунта, уплотнение грунта, разрушение образца, длительная прочность грунта, ос

25 12 2014
3 стр.

Работу выполнять: со снятием напряжения, без снятия напряжения на токоведущих частях и вблизи них, вдали от токоведущих частей, находящихся под напряжением

09 09 2014
1 стр.

Расчёт выходного напряжения (переменного тока) трансформатора работающего на холостом ходу или без существенной нагрузки

11 Расчет параметрических стабилизаторов

Любые упражнения по изучению электротехники необходимо начинать с проработки лекционного материала и соответствующего раздела в учебнике. Следует также выучить правила составления уравнений и свойств соединений элементов схем.

СЕМИНАР 12

Расчет параметрических стабилизаторов

Нарисовать характеристику стабилитрона с параметрами:

Рекомендуемые файлы

∆ U_ст = ∆I_ст ·R_диф = 0,047·25 = 1,175 В

Строим ВАХ стабилитрона рис. 1.

Для схемы на рис. 2, стабилитрон имеет параметры:

Определить ток I в цепи графическим способом, если I_н =20 мА.

∆ U_ст = ∆I_ст ·R_диф = 0,07·40 = 2,8 В

Строим ВАХ стабилитрона, ВАХ резистора. Суммируем ВАХ-ки. Графически определяем ток неразветвленного участка цепи рис 3.

Чему равно относительное изменение напряжение на выходе параметрического стабилизатора, если ток стабилитрона изменился на 2 мА, U_ст = 8 В, R_диф = 16 Ом?

Для стабилизации напряжения в нагрузке R_н = 2 кОм используется параметрический стабилизатор напряжения рис. 4. Стабилитрон имеет параметры: I_стmin = 1 мА, I_стmax = 23 мА, R_диф = 30 Ом; номинальное напряжение на выходе равно 11 В, входное напряжение 22 В.

Определить К_ст и R_бал.

Определить напряжение на входе стабилизатора рис. 5. Параметры стабилитрона:

Решение: ток через стабилитрон

Так как стабилитрон и балластное сопротивление включены в цепь последовательно, то

По второму закону Кирхгофа:

Определить U₂ в стабилизаторе напряжения рис. 6, если U₁ = 16 В, R₁ = 300 Ом, R₂ = 1,2 кОм, U_{ст min} = 12 В, R_ст = 15 Ом.

Указание: решить задачу аналитическим методом, ис­пользуя схему замещения стабилитрона (ис­точник эдс Е = U_ст, включенный последовательно с резистором R_ст).

Решение: начертим схему замещения стабилизатора рис 7.

Используем метод двух узлов:

;