ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ» (МГТУ ГА) Кафедра ТЭРЭО ВТ ОТЧЕТ по учебной практике №2 «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА» По теме «Анализ компенсационного стабилизатора на операционном усилителе» студент 5 курса группы РС 5 факультет АСК шифр РСЦ-191001 Князюк Д.М. Подпись: ____________ Руководитель: Прохоров А.В. Подпись: ____________ Москва — 2024 Содержание Введение ........................................................................................................................ 3 РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИОшибка! Закладка не определена. Основная часть ................................................ Ошибка! Закладка не определена. 1.1 Назначение и принцип работы............... Ошибка! Закладка не определена. 1.2 План научно-исследовательской работы ................... Ошибка! Закладка не определена. 1.3 Схема стабилизатора напряжения на ОУ .................. Ошибка! Закладка не определена. 1.4 Использование стабилизатора тока в источнике опорного напряжения..9 1.5 Увеличение выходной мощности стабилизатора напряжения…………..11 1.6 Компенсационные стабилизаторы: последовательные и параллельные………………………………………………………………………12 Вывод:.......................................................................................................................... 14 Список используемой литературы .............. Ошибка! Закладка не определена. 2 Введение Многие электронные устройства, используемые в быту и на производстве требуют определенных параметров напряжения на входе, отличных от параметров сети. Для создания нужного напряжения и используют стабилизаторы напряжения. Стабилизатор разрабатывается на базе стандартных аналоговых элементов, выпускающихся серийно и может использоваться для работы с широким спектром устройств, требующих напряжения, укладывающегося в его выходной диапазон. Основное преимущество ОУ при использовании их в стабилизаторах напряжения является то, что ОУ обладает большим коэффициентом усиления (несколько десятков тысяч). Поэтому они позволяют получить нестабильность выходного напряжения порядка 0,001 %. Большинство современной силовой электроники представлено импульсными источниками питания, которые обладают высоким КПД и небольшими габаритными размерами. Однако линейные стабилизаторы напряжения также находят своё применение, прежде всего в устройствах небольшой мощности, а также в схемах, где не желательны импульсные помехи. Как известно линейные источники питания разделяются на последовательные и параллельные в зависимости от схемы подсоединения регулирующего элемента относительно выхода. Наибольшее распространение получили последовательные стабилизаторы, так как могут обеспечить КПД и стабилизацию больше чем параллельные, из основных достоинств которых является возможность перегрузки по току и способность выдерживать короткое замыкание. Главной задачей является разработка стенда «Компенсационный стабилизатор напряжения на операционном усилителе», с помощью которого можно будет экспериментально снять показатели качества стабилизатора. 3 РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Основная часть 1.1 Назначение и принцип работы Компенсационные линейные стабилизаторы напряжения специализированные микросхемы, предназначенные для стабилизации выходного напряжения на определенном уровне. Этот уровень может быть фиксированным, а может плавно регулироваться. Компенсационные стабилизаторы напряжения – стабилизаторы последовательного типа, то есть стабилизаторы, в которых избыток напряжения падает на самом стабилизаторе. Концепция работы последовательного линейного стабилизатора напряжения прорисована на рисунке LVR.1 : стабилизатор изменяет свое внутреннее сопротивление реагируя на изменения входного напряжения и тока нагрузки с целью обеспечения постоянства выходного напряжения. Рис.1 - Принцип работы линейного компенсационного стабилизатора напряжения 4 Принцип работы компенсационного стабилизатора с применением операционного усилителя Рис.2 - Компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя Опорное напряжение задается маломощным параметрическим стабилизатором на стабилитроне VDz. Выходное напряжение через резисторный делитель R1R2 сравнивается с опорным. Разность напряжений усиливается операционным усилителем, который управляет ключом, включенным последовательно с нагрузкой. Если выходное напряжение ниже заданного уровня – ключ приоткрывается, пропуская больше тока, соответственно падение напряжения на нем уменьшается. Если выходное напряжение становится больше некоторого уровня – ключ закрывается. Таким образом, осуществляется стабилизация выходного напряжения. Интегральные стабилизаторы напряжения работают по аналогичному принципу. Нестабильность выходного напряжения определяется, прежде всего, нестабильностью опорного напряжения параметрического стабилизатора. 5 1.2 План научно-исследовательской работы План научно-исследовательской работы: 1) Сформулировать задачу. 2) Разработать программу моделирования компенсационного стабилизатора на операционном усилителе. 3) Провести исследование характеристик различных компонентов компенсационного стабилизатора на ОУ с целью обеспечения большей надежности, доступности и стабильности компонентов. 4) Сформулировать и привести в отчёте контрольный пример. 6 Основная функция стабилизаторов напряжения: - получение стабилизированного выходного напряжения в некотором диапазоне токов нагрузки. Также компенсационные стабилизаторы могут использоваться в качестве генераторов стабилизированного тока, при изменении схемы включения. Сам принцип компенсационной стабилизации напряжения несет неизбежные потери энергии, поскольку избыточное напряжение, между входом и выходом стабилизатора умноженное на проходящий через него ток дает мощность рассеиваемую стабилизатором впустую, в тепло. Поэтому использование линейных стабилизаторов целесообразно в ряде случаев: - если мощность потребляемая нагрузкой мала, например внутренние цепи питания управляющих микросхем; - если необходим высокий коэффициент стабилизации и малые пульсации, например, при организации питания операционных усилителей, прецизионных измерительных схем, аудиофильских решений и т.д.; - если необходимо обеспечить малые значения электромагнитного фона в окружающем пространстве, для обеспечения высокой ЭМС-совместимости; - если не жалко энергии, много места для алюминиевого радиатора, и нужно сделать быстро; - если нужна высокая надежность работы. Линейные стабилизаторы проще, содержат меньше элементов, а потому функционально надежнее импульсных. Во всех прочих случаях целесообразно использовать импульсные стабилизаторы, обеспечивающие более эффективное преобразование энергии. Некоторые интегральные стабилизаторы имеют встроенную защиту от короткого замыкания и перегрева. 7 1.3 Схема стабилизатора напряжения на ОУ Для построения стабилизатора напряжения используется масштабирующий усилитель на ОУ в неивертирующем включении. Схема такого стабилизатора напряжения показана ниже Рис.3 Схема стабилизатора напряжения на ОУ Схема состоит из ОУ DA1, резисторов обратной связи R1 и R2 и источника опорного напряжения UОП. Выходное напряжение будет определяться известной формулой для неинвертирующего усилителя. Таким образом, качество стабилизатора напряжения будет определяться качеством источника опорного напряжения, так как ОУ даже с очень хорошими параметрами и высоким коэффициентом усиления не может обеспечить стабильность выходного напряжения. 8 1.4 Использование стабилизатора тока в источнике опорного напряжения Достаточно часто стабилизаторы напряжения используются в схемах, где входящие нестабилизированное напряжение может изменяться в пределах нескольких вольт, а иногда и выше. Данное условие приводит к тому, что в схеме параметрического стабилизатора R1VD1, показанного на рисунке выше, приводит к изменению тока проходящего через стабилитрон, тем самым изменяя его напряжение стабилизации в пределах долей вольта. Для недопущения таких изменений в схему источника опорного напряжения вводят стабилизатор тока. Схема стабилизатора напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения приведена ниже. Рис.4 Стабилизатор напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения В данной схеме вместо гасящего резистора параметрического стабилизатора введён стабилизатор тока R1VD1VT1R2, что позволяет свести колебания тока стабилизации стабилитрона VD2 к нескольким процентам, при колебании входящего нестабилизированного напряжения в пределах десятков процентов. В итоге коэффициент стабилизации источника опорного напряжения достигнет нескольких сотен, в то время как стабилизации обычного параметрического стабилизатора напряжения едва достигает нескольких десятков. 9 Ещё одним применение данной схемы является регулируемый источник опорного напряжения. Для этого достаточно заменить стабилитрон VD2 переменным резистором, что позволяет при постоянном токе, задаваемым стабилизатором тока, изменяя сопротивление переменного резистора в широких пределах регулировать опорное напряжение, тем самым регулирую выходное напряжение стабилизатора тока. Рис.5 Регулируемый стабилизатор напряжения на ОУ 10 1.5 Увеличение выходной мощности стабилизатора напряжения Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора или нескольких параллельно-последовательных транзисторов, который иногда называют бустером выходного тока. Простейшая схема стабилизатора напряжения на ОУ с бустерным каскадом показана ниже. Рис.6 Стабилизатор напряжения на ОУ с выходным бустерным каскадом В схеме стабилизатора напряжения для увеличения выходной мощности включён бустерный каскад на транзисторе VT1. Для ограничения максимального выходного тока ОУ введён резистор R2, который может быть определён по следующему выражению где UКЭнас – напряжение насыщения коллектор-эмиттер бустерного транзистора, IВЫХ.МАХ – предельный выходной ток ОУ. Иногда возникает ситуация когда усиления одного транзистора не хватает для требуемой выходной мощности, поэтому применяют составные транзисторы по схеме Дарлингтона или Шиклаи для увеличения коэффициента усиления по току. 11 1.6 Компенсационные стабилизаторы: последовательные и параллельные Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в таких устройствах достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи, являющегося функцией выходного напряжения. При построении схем компенсационных стабилизаторов используют как дискретные элементы, так и интегральные схемы: ОУ и специализированные микросхемы интегральных стабилизаторов, например микросхемы серии К142ЕН. Компенсационные стабилизаторы, как указано ранее, в зависимости от способа включения регулирующего элемента по отношению к нагрузке могут быть последовательными (рис. 7) и параллельными (рис. 8). Рис. 7 Компенсационные стабилизаторы последовательные 12 Рис.8 Компенсационные стабилизаторы параллельные Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа по принципу действия представляет собой управляемый делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и регулирующего элемента РЭ, работающего в линейном (усилительном) режиме. Выходное напряжение стабилизатора в схеме сравнения СС сравнивается с эталонным (опорным) , формируемым источником опорного напряжения ИОН. Возникающий при этом разностный сигнал рассогласования усиливается усилителем постоянного тока У и воздействует на регулирующий элемент РЭ таким образом, чтобы выходное напряжение достигло эталонного уровня. При положительном сигнале рассогласования внутреннее сопротивление РЭ возрастает, падение напряжения на нем увеличивается и соответственно уменьшается выходное напряжение, стремясь к значению . При отрицательном сигнале рассогласования , наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшается, что приводит к возрастанию выходного напряжения. В качестве источника опорного напряжения обычно используется параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки. 13 Вывод: Таким образом основное преимущество ОУ при использовании их в стабилизаторах напряжения является то, что ОУ обладает большим коэффициентом усиления. Поэтому они позволяют получить нестабильность выходного напряжения порядка 0,001 %. Изменение тока приводит к изменению падения напряжения, на внутреннем сопротивлении источника и сопротивления соединительных проводов. Чем больше внутреннее сопротивление источника и сопротивление соединительных проводов, тем большими будут изменения напряжения. В ходе данного научного исследования мы узнали о важности компенсационного стабилизатора напряжения в быту, ведь многие электронные устройства, используемые в повседневной жизни и на производстве, требуют определенных параметров напряжения на входе, отличных от параметров сети. 14 Список литературы 1. А. В. Хныков. Теория и расчет многообмоточных трансформаторов М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 112 с. 2. Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 416 с. 3. А.А. Савелов. РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ УСТРОЙСТВ АВИОНИКИ. – М.: МГТУ ГА, 2015. – 96 с. 4. Источники вторичного электропитания/С. С. Букреев, В. А. Головацкий, Г. Н. Гулякович и др.; Под ред. Ю. И. Конева. - М.: Радио и связь, 2004. -280 с. 5. Зубков, Б. В. Безопасность полётов: учебник / Б. В. Зубков, С. Е. Прозоров; под ред. Б. В. Зубкова. – Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2012. – 451 с. 15
