Лабораторная работа № 1 Основные радиоэлектронные измерения и измерительные приборы (стр. 12 )

, (2)

где DUвых, DI — изменения выходного напряжения и тока. Очевидно, что для идеальных стабилизирующих устройств коэффициенты стабилизации равны бесконечности. Для реальных стабилизаторов этот коэффициент имеет значения от десятков до нескольких сотен и даже тысяч. Естественно, что каждый стабилизатор работает внутри только определенной области изменения напряжения или сопротивления нагрузки. Вне этой области коэффициент стабилизации уменьшается. По принципу действия стабилизаторы можно разделить на две группы: параметрические и компенсационные. Возможны также схемы, совмещающие оба принципа.

2.2. Параметрические стабилизаторы напряжения.

Принцип действия параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН) основан на применении прибора с нелинейной вольт-амперной характеристикой, когда имеется насыщение напряжения (стабилитроны, варисторы). Наиболее простая схема ПСН представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения

Данная схема представляет собой делитель напряжения, верхнее плечо которого составляет резистор Rдб, а нижнее — стабилитрон, сопротивление которого нелинейно. Последнее должно иметь такую вольт-амперную характеристику, чтобы в пределах некоторого участка падение напряжения слабо зависело от величины протекающего по нему тока (рис. 2). Параллельно нижнему плечу подключается сопротивление нагрузки Rн.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона

Сопротивление Rдб, на котором выделяется все изменение выходного напряжения, называется балластным или ограничительным. Прямая ветвь ВАХ является нерабочей, в то время как обратная ветвь используется как основной рабочий участок. По наклону ВАХ в этой области можно определить его дифференциальное (динамическое) сопротивление:

. (3)

Рассмотрим принцип стабилизации напряжения на примере рис. 1, для которого имеем по правилам Кирхгофа следующие соотношения:

, (4)

. (5)

Благодаря параллельному включению стабилитрона и сопротивления нагрузки выходное напряжение, общее для нагрузки и стабилитрона, является слабо изменяющейся функцией тока через стабилитрон, который вследствие наличия большого балластного сопротивления примерно пропорционален входному напряжению. Подставляя (4) в (5), получим

. (6)

Дифференцируя (6) по Uвых и используя выражение (3) для дифференциального сопротивления, после несложных преобразований можно получить значение коэффициента стабилизации как функцию Rдб, Rн и статического сопротивления стабилитрона:

,

отсюда получаем:

. (7)

Схема параметрического стабилизатора применятся на практике в простых устройствах источников питания из-за невысокого КПД и сравнительно большого выходного сопротивления:

. (8)

2.3. Компенсационный стабилизатор напряжения.

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) также представляет собой делитель напряжения, образованный переменным сопротивлением регулирующего элемента и сопротивлением нагрузки Rн. При изменениях входного напряжения или тока нагрузки в определенных пределах регулирующая цепь поддерживает величину выходного напряжения с заданной точностью. В таких схемах стабилизации в качестве регулирующего элемента (переменного сопротивления) применяются или электронные лампы (триод, пентод), или транзистор (иногда составной). На рис. 3 приведена схема транзисторного стабилизатора напряжения. В данной схеме роль регулирующего элемента выполняет транзистор Т1. Для стабилизации вводят отрицательную обратную связь. Регулирование сопротивления перехода эмиттер — коллектор транзистора Т1 осуществляется усилителем постоянного тока на транзисторе T2 с большим коэффициентом усиления, включенным в цепь базы транзистора Т1. В цепь база — эмиттер транзистора Т2 подается часть выходного напряжения с делителя R3 и R4 и опорного напряжения Uст со стабилитрона VD. Их разность образует напряжение между базой и эмиттером T2. В качестве источника опорного напряжения обычно применяются кремниевые стабилитроны. Сопротивление R2 определяет рабочую точку стабилитрона. Выходное напряжение стабилизатора равняется произведению напряжения на стабилитроне на коэффициент деления делителя R3R4. В режиме малых флуктуаций входного напряжения ток базы транзистора Т1 практически определяется цепью с сопротивлением R1, так как при этом транзистор Т2 закрыт (коллекторный ток его практически равен нулю).

Рис. 3. Схема компенсационного стабилизатора напряжений

Если по какой-то причине флуктуации напряжения Uвх увеличиваются, то это сопровождается увеличением тока коллектора транзистора Т2 из-за увеличения напряжения база — эмиттер (транзистор Т2 открыт). Это приводит к уменьшению напряжения базы T1. Последнее обуславливает увеличение сопротивления между эмиттером и коллектором T1, т. е. приводит к увеличению Uкэ Но ввиду того, что выходное напряжение есть разность между входным напряжением и Uкэ транзистора T1, увеличение выходного напряжения вследствие увеличения входного (уменьшение тока нагрузки) в значительной степени стабилизируется:

, (9)

где КТ1 и КТ2 — коэффициенты усиления транзисторов. Заметим, что через регулируемый элемент T1 проходит весь ток нагрузки и поэтому его мощность должна быть не меньше мощности нагрузки. Если требуемые значения напряжения и тока превышают максимально допустимые для транзистора данного типа, то можно применять последовательное или параллельное включение регулируемых транзисторов (см. лабораторный макет (рис. 3)).

Компенсационные стабилизаторы по сравнению с параметрическими держат постоянным выходное напряжение в более широком диапазоне изменений входного напряжения и сопротивления нагрузки при более высоких значениях коэффициента стабилизации. Кроме того, КСН имеют более низкое внутреннее (выходное) сопротивление:

, (10)

где a£1.

3. Лабораторная установка

Установка состоит из макета (рис. 4), включающего в себя ПСН и КСН, регулируемого источника питания постоянного тока Б5-49, миллиамперметра и вольтметра. ПСН собран на стабилитроне VD1(Д814), имеет вход — гнезда 1, 2 и выход — гнезда 4, 5. В КСН (вход — гнезда 1, 3; выход — гнезда 6, 8) в качестве регулируемого сопротивления использована комбинация из транзисторов VT2(ГТ403) и VT1(П210), называемая составным транзистором.

Рис. 4. Схема лабораторного макета

Дополнительный транзистор ГТ403 ставится в управляющую цепь мощного силового транзистора VT1 с большим током базы для усиления управляющего сигнала с маломощного транзистора VT3(МП25). Опорное напряжение снимается со стабилитрона VD2(Д814). Принцип стабилизации остается тот же. Нагрузка у обоих стабилизаторов является общей (клеммы 7, 8), она подключается поочередно к выходам стабилизаторов (клеммы 6 или 4) через миллиамперметр. Источник питания также поочередно подключается к входам обоих стабилизаторов с указанной на схеме полярностью. Вольтметром можно контролировать напряжение как на входах стабилизаторов, так и на нагрузке.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Собрать схему по рис. 4, подключив параметрический стабилизатор напряжения.

4.2. Снять зависимости Uвых (Uвх) при трех значениях переменного сопротивления Rн (полностью выведенное, выведенное и среднее).

4.3. Рассчитать коэффициенты стабилизации в пределе рабочего участка стабилизации.

4.4. Для определенных средних значений входного напряжения измерить нагрузочную характеристику стабилизатора (т. е. зависимость Uвых от Iн), получаемую путем изменения нагрузочного сопротивления.

4.5. Рассчитать внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора.

4.6. Переключить источник питания и измерительные приборы к компенсационному стабилизатору и повторить пп.4.2—4.5.

5. Содержание отчета

1. Схемы ПСН и КСН.

2. Семейства зависимостей Uвых (Uвх) и нагрузочных характеристик Uвых(Iн) обоих стабилизаторов.

3. Рассчитанные коэффициенты стабилизации и внутренних сопротивлений стабилизаторов.

6. Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы ПСН и КСН.

2. Как рассчитать коэффициенты стабилизации и внутреннее сопротивление стабилизаторов?

3. Какие преимущества и недостатки имеют оба типа стабилизаторов?

4. Каким образом устанавливается выходное напряжение в стабилизаторах обоих типов?

5. Чем отличается режим работы полупроводниковых стабилитронов в стабилизаторах обоих типов?

7. Литература

1. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. М.: Сов. радио, 1976. С. 399—402.

Лабораторная работа № 8

НЕЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ И УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

1. Цель работы

Изучение режима работы нелинейного резонансного усилителя и метода умножения частоты.

2. Краткие теоретические положения

В радиоэлектронных устройствах для целей усиления сигнала обычно используют электронные лампы или транзисторы. В общем случае эти приборы имеют нелинейную характеристику усиления. Это приводит к искажению усиливаемого сигнала, поскольку для любой входной частоты w в спектре выходного сигнала появляются гармоники кратных частот (2w, 3w, …). Для получения линейного режима усиления используют прямолинейный участок характеристики, причем чем выше требования к линейности, тем меньше используемый размер участка. Это ведет к снижению коэффициента усиления и неэкономичности режима работы. Однако нелинейный режим усиления (режим отсечки) также находит применение (мощные усилители, передатчики). Для точного расчета и анализа таких устройств характеристику усиления представляют полиномом n степени. Это приводит к весьма громоздким и сложным расчетным формулам. Поэтому для целей инженерных расчетов пользуются более простым способом — аппроксимацией усилительной характеристики отрезками прямых линий. Подобная аппроксимация, конечно, носит несколько грубый характер, но из-за простоты и наглядности находит широкое применение.