Источники опорного напряжения

Министерство Образования и Науки РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Факультет Автоматики и Вычислительной Техники

Кафедра Систем Сбора и Обработки Данных

Дисциплина «Схемотехника»

ОТЧЕТ

 по лабораторной работе №5

«Источники опорного напряжения»

Выполнили                                                                       Проверил:

студенты                                                                            Квеглис С.В.

Группы: АТ-33                                                                  

Кармаков В.И.

Шевцов А.Н.

Вариант 10

2005

Цели работы:

1.  Познакомиться с принципами построения источников опорного напряжения на стабилитронах и на напряжении запрещенной зоны полупроводника

2.  Исследовать характеристики источников опорного напряжения

1. Стабилитронный источник опорного напряжения

Простейший источник опорного напряжения может быть построен на основе стабилитрона. Стабилитрон представляет собой диод, работающий при обратном смещении на участке пробоя, где ток пробоя очень быстро нарастает при дальнейшем росте напряжения.

Стабилитроны выпускаются на целый ряд напряжений (от 2В до 200В), с допуском на напряжение стабилизации от 1% до 20%, с номинальной рассеиваемой мощностью от долей Ватта до 50Вт.

Чтобы получить из стабилитрона источник опорного напряжения, необходимо обеспечить прохождение через него постоянного тока (хотя бы – приблизительно постоянного). Проще всего это сделать, подключив стабилитрон через резистор к источнику постоянного напряжения.

Рис.1. Простейший источник опорного напряжения на основе стабилитрона

1.  Экспериментально определить дифференциальное сопротивление стабилитрона .

Рис.2. График дифференциального сопротивления стабилитрона .

Первый график – это напряжение, снимаемое со стабилитрона. Второй – это ток, протекающий через стабилитрон, а третий – это производная от напряжения стабилитрона по току, протекающему через него, то есть это и есть график зависимости =ΔU_ст/ΔI_ст.

2.  Аналитически определить коэффициент подавления нестабильности питающего напряжения при R2=10 кОм при изменении напряжения питания от 13,5В до 16,5В для R1=470 Ом и для R1=1 кОм.

Коэффициент нестабильности питающего напряжения можно рассчитать по формуле:

 , где ΔU_пит=16,5-13,5=3В,а ΔU_вых необходимо рассчитать для 2-х вышеуказанных случаев. Рассчитаем их:

r_ст=2.53 Ом

R₁=1 кОм

R₂=10r=кОм, поэтому параллельное соединение r_ст и R_{2 ,}рассчитывая по формуле:

 

U_вых рассчитаем по формуле:

Если R₁=470 Ом, то:

3.  Экспериментальная проверка результатов расчетов по п.2.

Рис.3. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон.

R1=470 Ом.

Из графиков видно, что =0,008В, поэтому дальнейшие расчеты будут такие же, и 

Рис.4. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=1 кОм.

Из  графиков видно, что в этом случае =0,016В поэтому дальнейшие расчеты будут тике же, и:

4. Определение мощности, выделяемой на стабилитроне, расчет температуры его p-n перехода, если температура окружающей среды составляет +20°С.

Рис.5.Зависимости  выходного напряжения и тока, втекающего в стабилитрон от

температуры окружающей среды.

2. Источник опорного напряжения со стабилизацией тока через стабилитрон

Рис.6. Источник опорного напряжения с питанием стабилитрона постоянным током.

1. Экспериментально определить коэффициент подавления нестабильности питающего напряжения схемы на рисунке 6 при R2=10 кОм при изменении напряжения питания от 13,5В до 16,5В для R1=510 Ом и для R1=1 кОм.

Рис.7. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=510 Ом.

Рис.8. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=1 кОм.

2. Экспериментальное определение температурного коэффициента опорного напряжения в диапазоне температур окружающей среды 0ºC ÷ +70ºC. Сравнение с паспортными данными на стабилитрон.

Рис.9. Зависимости выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон от температуры окружающей среды.

По паспортным данным максимальный ТК=0,03 , по расчетам получилось, что ТК=0,028 , что удовлетворяет  паспортным данным. Изучив паспортные данные может сказать, что данный источник опорного напряжения может работать в широком диапазоне температур (-60 ºС-200 ºС), что подтверждает и маленький ТК(изменение температура на 260 ºС приведет к изменению напряжения на 0,03*260=7,8%).

3. Изменение схемы для увеличения тока стабилизации, а также сделать возможным подключение более низкоомной нагрузки. Повторение для измененной схемы исследований по п.1 и 2.

Данную схему можно изменить, согласно условиям, либо уменьшив сопротивление резистора R1(ток в контуре сопротивлений R1 и R2 возрастёт и сопротивление R2 можно будет уменьшить для поддержания постоянного напряжения), либо включив дополнительный транзистор структуры npn(он обеспечит рост тока в нагрузке R2 и сопротивление можно будет уменьшить).

Рис.10. Измененная схема источника опорного напряжения

с питанием стабилитрона постоянным током

1. Экспериментально определить коэффициент подавления нестабильности питающего напряжения схемы на рисунке 6 при R2=10 кОм при изменении напряжения питания от 13,5В до 16,5В для R1=510 Ом и для R1=1 кОм.

Рис.11. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=510 Ом.

Рис.12. Графики выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон. R1=1 кОм.

2. Экспериментальное определение температурного коэффициента опорного напряжения в диапазоне температур окружающей среды 0ºC ÷ +70ºC. Сравнение с паспортными данными на стабилитрон.

Рис.13. Зависимости выходного напряжения, тока, втекающего в стабилитрон от температуры окружающей среды.

0.0       +10.057          +5.030m

+10.000          +10.086          +5.045m

+20.000          +10.114          +5.059m

+30.000          +10.143          +5.073m

+40.000          +10.172          +5.088m

+50.000          +10.200          +5.102m

+60.000          +10.229          +5.116m

+70.000          +10.258          +5.130m

3. Источники опорного напряжения на запрещенной зоне полупроводника

Рис.14. Простейшее токовое зеркало

1. Для данной схемы исследование зависимости  и   от .

Рис.15. Графики зависимости  и   от .

2. Для данной схемы исследование зависимости  и   от температуры при =5мА в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.16. Графики зависимости  и   от температуры при =5мА

в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.17. Токовое зеркало с коэффициентом отражения, меньшим 1.

1. Для данной схемы исследование зависимости ,   и   от .

Рис.18. Графики зависимости ,   и   от .

2. Для данной схемы исследование зависимости ,   и  от температуры при =5мА в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.19. Графики зависимости ,   и  от температуры при =5мА

в диапазоне –40°С…+85°С

Рис.20. Источник опорного напряжения +5В с запрещенной зоной.

1. Для данной схемы исследование зависимости , ,  и  от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.21. Зависимость  и    от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.22. Зависимость   и  от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.

Рис.23. Преобразованная схема.

Поэтому можно выбрать:

R7=10 кОм

R8=47,2 кОм (экспериментально)

R9=12 кОм

R10=10 кОм

Рис.24. График зависимости от температуры в диапазоне –40°С…+85°С.