Исследование стабилизаторов напряжения: Методические указания и задания на лабораторную работу № 3

Лабораторная работа № 3.

Стабилизаторы напряжения.

В большинстве случаев источники питания не могут самостоятельно обеспечить требуемую стабильность напряжения и тока. На практике находят применение параметрические, компенсационные и компенсационно-параметрические стабилизаторы. Наиболее часто используют параметрические стабилизаторы, работа которых основана на изменении параметров стабилизирующего элемента, приводя его к компенсации влияния дестабилизирующих факторов.

1.  Применение

Стабилизаторы напряжения используются в источниках питания для стабилизации постоянного напряжения, а также в качестве источников опорного напряжения.

2.  Принцип действия

В стабилизаторах напряжения применяются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой, напряжение на которых мало зависит от протекающего через них тока. В качестве таких элементов используются полупроводниковые стабилитроны (диоды Зенера, Zener diodes).

При изменении входного напряжения ток через стабилитрон изменяется, что приводит к незначительным изменениям напряжения на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке.

3.   Однокаскадный стабилизатор напряжения

3.1. Состав

Схема однокаскадного стабилизатора напряжения приведена на рис. 1. Он состоит из стабилитрона D1 и ограничивающего резистора R1. Для стабилизации напряжения используется обратная ветвь ВАХ стабилитрона. Резистор R1 нужен для ограничения величины тока, протекающего через стабилитрон и исключения теплового пробоя p-n перехода.

Для исследования стабилизатора напряжения используется источник постоянного напряжения V1. Резистор R2 выступает в качестве нагрузки.

Рис. 1. Однокаскадный стабилизатор напряжения

3.2. Коэффициент стабилизации

Коэффициент стабилизации определяется по приближенной формуле:

,                                                       (1)

где      U_o – изменение напряжения на стабилитроне,

R_o - сопротивление ограничивающего резистора,

U_i – изменение питающего напряжения,

R_s - внутреннее динамическое сопротивление стабилитрона (на рабочем участке):

                                                               (2)

3.3. Достоинства и недостатки

Недостатком полупроводниковых стабилитронов является зависимость их параметров от температуры. Изменение температуры приводит к сдвигу ВАХ и изменению величины падения напряжения на стабилитроне.

3.4. Температурный коэффициент напряжения

Падение напряжения на стабилитроне оценивается величиной температурного коэффициента напряжения ТКН стабилитрона. Он определяет отклонение выходного напряжения стабилизатора напряжения при изменении температуры. Установлено, что наибольшая температурная зависимость наблюдается для приборов с напряжением стабилизации Us>5,5В.

4.  Однокаскадный стабилизатор напряжения c термокомпенсацией

Температурная компенсация в этом случае может быть достигнута включением последовательно со стабилитроном диодов в прямом направлении (D2 и D3 на рис. 2). Однако при этом возрастает внутреннее сопротивление стабилизатора напряжения за счет дифференциального сопротивления термокомпенсирующих диодов. Кроме того, термокомпенсирован-ный стабилизатор напряжения имеет пониженный коэффициент стабилизации. Для схемы стабилизации, изображенной на рис.2, он будет равен:

       (3)

где R_s’ - суммарное динамическое сопротивление термокомпенсиру-ющих диодов D2, D3.

Рис. 2. Однокаскадный стабилизатор

напряжения с термокомпенсацией

5.  Двухкаскадный стабилизатор напряжения

Если требуется повышенная стабильность выходного напряжения, то применяются двухкаскадные схемы стабилизаторов.

Рис. 3. Двухкаскадный  стабилизатор напряжения

Предварительная стабилизация напряжения в двухкаскадном стабилизаторе напряжения с помощью элементов R1 и D1 позволяет получить достаточно высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения, который равен:

                                                   (4)