Wydział Mechaniczno-Energetyczny Laboratorium Elektroniki. Badanie zasilaczy ze stabilizacją napięcia

Transkrypt

1 Wydział Mechaniczno-Energeyczny Laboraorium Elekroniki Badanie zasilaczy ze sabilizacją napięcia 1. Wsęp eoreyczny Prawie wszyskie układy elekroniczne (zarówno analogowe, jak i cyfrowe) do poprawnej pracy wymagają zasilania napięciem o usalonej, sałej w czasie, warości (np. 5V). Źródłem energii będącym do dyspozycji jes najczęściej sieć elekroenergeyczna (napięcie przemienne o warości skuecznej 230V i częsoliwości 50Hz). Do przekszałcenia napięcia sieciowego w odpowiadające porzebom zasilanych układów napięcie sałe służą urządzenia zwane zasilaczami sabilizowanymi. W skład zasilacza sabilizowanego wchodzą nasępujące bloki funkcjonalne (rys.1): układ zabezpieczający ransformaor prosownik filr wygładzający sabilizaor napięcia układ zabezpieczający ransformaor prosownik filr wygładzający sabilizaor napięcia Rys.1. Schema blokowy zasilacza 1.1. Układ zabezpieczający W układzie zabezpieczającym musi znajdować się bezpiecznik mający za zadanie odciąć zasilanie w przypadku poboru prądu o nadmiernym naężeniu (np. na skuek zwarcia). Warość bezpiecznika dobiera się odpowiednio do zakładanego obciążenia zasilacza. Dodakowo zasosowane mogą być układy przeciwprzepięciowe, eliminujące gwałowne skoki napięcia sieciowego oraz filry przeciwzakłóceniowe, zapobiegające przenoszeniu zakłóceń o wyższych częsoliwościach między siecią, a zasilanym urządzeniem (w obu kierunkach). Przykładową realizację układu zabezpieczającego pokazano na rys. 2. Rys. 2. Układ zabezpieczający zasilacza 1

2 1.2. Transformaor Transformaor jes elemenem elekromagneycznym przenoszącym energię z obwodu wejściowego do wyjściowego. Zbudowany jes z dwóch uzwojeń nawinięych na wspólnym rdzeniu. Sosunek ilości zwojów uzwojenia wórnego (wyjściowego) do pierwonego (wejściowego) zwany jes przekładnią zwojową. Sosunek warości prądów w obu uzwojeniach jes odwronie proporcjonalny do przekładni zwojowej, naomias sosunek napięć jes do niej proporcjonalny wpros (przy założeniu braku sra). Transformaor nie zmienia częsoliwości prądu. Schema ilusrujący działanie ransformaora pokazano na rys.3. U 2 = Z 2 = I 1 U 1 Z 1 I 2 rys. 3. Schema działania ransformaora W zasilaczu podsawowym zadaniem ransformaora jes zmiana napięcia przemiennego dosarczanego z sieci w napięcie przemienne o warości dobranej do napięcia wejściowego sabilizaora. Drugą isoną funkcją jes zapewnienie galwanicznej separacji układu elekronicznego od sieci czyli uniemożliwienie w przypadku awarii niepożądanego przepływu prądu od srony zasilania Prosownik Prosownik służy do przekszałcenia prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy. Podsawą działania prosownika jes elemen przewodzący prąd ylko w jednym kierunku, najczęściej jes o dioda półprzewodnikowa. Najprosszy układ prosownika z jedną diodą pokazano na rys. 4, naomias jego przebiegi wejściowego i wyjściowego napięcia na rys. 5. R L Rys.4. Prosownik jednopołówkowy Rys. 5. Przebieg napięć w prosowniku jednopołówkowym 2

3 Jak widać, w akim prosowniku napięcie wyjściowe wysępuje jedynie przez połowę okresu sinusoidy. Układ en zwany jes prosownikiem jednopołówkowym. Do jego wad należą: niska sprawności i duży współczynnik ęnień (duża zmienność warości) napięcia wyjściowego. Znacznie lepsze właściwości mają prosowniki dwupołówkowe (zn. przewodzące w całym okresie sinusoidy). Najczęściej sosowany jes układ zwany moskiem Graeza. Tworzą go czery diody połączone ak, że w każdej połowie okresu dwie z nich znajdują się w sanie przewodzenia, a dwie pozosałe są w sanie nieprzewodzenia (rys. 6). Przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego akiego prosownika pokazano na rys. 7. Jak widać częsoliwość ęnień na wyjściu jes podwojoną częsoliwością sieci. R L Rys. 6. Prosownik dwupołówkowy (Mosek Graeza) Rys. 7. Przebieg napięć w prosowniku dwupołówkowym 1.4. Filr wygładzający Napięcie jednokierunkowe uzyskane z prosownika ma sały znak, jednak jego warość zmienia się cyklicznie (rys. 7). Tymczasem sabilizaory napięcia mają określoną minimalną warość napięcia wejściowego poniżej kórej nie mogą zapewnić właściwego napięcia na wyjściu. Konieczne jes więc wygładzenie przebiegu napięcia za prosownikiem ak, aby jego warość zawsze przekraczała dopuszczalne minimum. Rolę filra wygładzającego pełni kondensaor o odpowiedniej pojemności, podłączony równolegle na wyjściu z prosownika (rys. 8). Kondensaor en jes ładowny podczas narasającego zbocza przebiegu napięcia, naomias w pozosałej części okresu oddaje energię do obciążenia. Dzięki emu ampliuda ęnień zosaje znacząco zmniejszona. Wygładzony przebieg pokazano na rys. 9 U U U min prosownik C R L U niefilr U filr T ę Rys 8. Filr wygładzający w układzie Rys. 9. Przebieg napięć w filrze wygładzającym 3

4 Pojemność kondensaora filrującego C dla prosownika dobiera się według wzoru C= I T ę U U min = I U U min f ę gdzie: I prąd obciążenia, f ę częsoliwość ęnień (dla dwópołówkowego prosownika f ę = 2 50Hz = 100Hz ), U szczyowa warość napięcia za prosownikiem, U min minimalna dopuszczalna warość napięcia na wejściu sabilizaora Sabilizaor napięcia Napięcie na wyjściu prosownika z filrem, choć jes wygładzone (czyli ma niewielką ampliudę ęnień), o jednak nie jes sabilne. Jego warość zależy od wahań napięcia w sieci, obciążenia oraz innych czynników. Z ej przyczyny, w celu uzyskania sałej warości napięcia, konieczne jes sosowanie sabilizaorów. Isnieje wiele różnych rodzajów sabilizaorów, spośród kórych w niniejszej insrukcji zosaną omówione rzy wybrane układy Sabilizaor z diodą Zenera Rolę elemenu sabilizującego napięcie w ym układzie pełni dioda Zenera. Jes o elemen półprzewodnikowy wykorzysujący zjawisko przebicia Zenera (lub przebicia lawinowego), mający charakerysykę jak na rys. 10. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym napięcie na diodzie pozosaje - w szerokim zakresie płynących przez nią prądów - na niemalże sałym, określonym dla danej diody poziomie (zwanym napięciem Zenera). Zakres pracy diody ograniczony jes z jednej srony prądem minimalnym porzebnym do wysąpienia przebicia (I zmin ), z drugiej zaś prądem maksymalnym wynikający z dopuszczalnej mocy wydzielanej na diodzie (I zmax =P max /U Z ). I WE I WY (niesab.) R I Z =U Z R L Rys. 10. Charakerysyka diody Zenera Rys. 11. Sabilizaor z diodą Zenera Przy zmianach napięcia wejściowego, przy sałym R L, ulega zmianie naężenie prądu I WE, ale w zasadzie ylko koszem zmiany naężenia prądu I Z. W efekcie na rezysorze szeregowym R odkłada się prakycznie cały przyros napięcia wejściowego, a napięcie wyjściowe pozosaje na prawie niezmienionym poziomie. Jeżeli naomias przy sałym wzrośnie opór R L, o zmieni się rozdział prądu I WE pomiędzy diodę a odbiornik. Prąd I WY zmaleje, a prąd diody I Z wzrośnie ak, aby prąd I WE =I WY +I R pozosał sały. W ym przypadku również napięcie niemal się nie zmieni. Z osaniej zależności widać, że prąd diody jes ym większy im mniej prądu pobiera odbiornik. Nie obciążona dioda będzie musiała rozproszyć największą moc. 4

5 Sabilizaor z diodą Zenera i wórnikiem emierowym W układzie akim (parz rys. 12) dioda Zenera oddzielona jes od obciążenia za pomocą wórnika emierowego. Prąd obciążenia prakycznie nie ma wpływu na prąd przepływający przez diodę. Pozwala o na poprawienie sabilizacji oraz umożliwia sosowanie diod o zdecydowanie mniejszej mocy. (niesab.) U Z R R C R L Rys. 12. Sabilizaor z diodą Zenera i wórnikiem emierowym W układzie z wórnikiem Napięcie wyjściowe jes zmniejszone w sosunku do napięcia U Z o spadek na złączu baza-emier ranzysora. Rezysor R C spełnia rolę ogranicznika prądu, chroniąc ranzysor przed zniszczeniem w przypadku chwilowego zwarcia wyjścia Sabilizaor z układem LM317L Układ LM317L jes rzykońcówkowym scalonym sabilizaorem nasawnym. Posiada on rzy wyprowadzenia. Wyprowadzenie WE łączy się ze źródłem napięcia zasilania. Odbiornik podłącza się do wyprowadzenia WY. Wyprowadzenie REG służy do podłączania rezysorów regulacji napięcia. Pierwszy (R 1 ) z nich podłącza się między wyprowadzenia REG i WY. Drugi rezysor (R 2 ) podłącza się między REG a masę. Na rezysorze R 1 zawsze wymuszone jes napięcie 1,25V. Prąd płynący przez wyprowadzenie REG jes pomijalnie mały. LM317L WE REG WY R 1 1,25V R 2 Rys. 13. Sabilizaor z układem LM317L 5

6 Warość napięcia wyjściowego można wyznaczyć z zależności: =1, 25 1 R 1 R 2 Sosując jako rezysor R 2 poencjomer (parz rys. 13) można płynnie zmieniać warość napięcia wyjściowego w szerokim zakresie. 2. Zadania do wykonania 2.1. Zadania dla układu ransformaor + prosownik + filr ęnień Zbadać oscyloskopem przebiegi napięcia przed (U AC ) i za (U DC ) prosownikiem. Obliczyć przekładnię ransformaora. Zmierzyć oscyloskopem ampliudę i częsoliwość ęnień za kondensaorem. Dla usalonego prądu obciążenia (I) zweryfikować wzór na warość ęnień. I ΔU = f ę C 2.2. Zadania dla układów sabilizacji Zaobserwować przebiegi napięć na wyjściu sabilizaora Zmieniając obciążenie wyznaczyć charakerysykę prądowo-napięciową U=f(I) Zmieniając obciążenie wyznaczyć zależność ęnień od obciążenia U=f(I) Na podsawie wyników pomiarów porównać właściwości układów sabilizacji. 3. Pyania konrolne 1. Wymienić podsawowe bloki funkcyjne, z kórych składa się zasilacz. 2. Podać wzór na ampliudę ęnień dla dwópołówkowego prosownika z filrem. 3. Określić na jakich dwóch zjawiskach opiera się działanie diody sabilizacyjnej. Lieraura: [1] Horowiz P., Hill W., Szuka elekroniki, WKŁ, Warszawa, 2006 [2] Rusek M, Ćwirko R., Marciniak W., Przewodnik po elekronice, WNT, Warszawa, 1986 [3] hp:// - kara kaalogowa układu LM317L insrukcję opracował: mgr inż. Przemysław Kobel 6

7 Schema układu pomiarowego Transformaor + prosownik + filr ęnień 230V 50Hz 100µF/25V U osc. osc. U AC DC sabilizaor obciążenie Badane sabilizaory (z obciążeniem) Sabilizaor z diodą Zenera (A) 180Ω BZX55C6,8 1µF A V osc ,7k S. z diodą Zenera i wórnikiem emierowym (B) 220Ω BZX55C6,8 BC547B 1µF A V osc. 100Ω 4,7kΩ 7

8 Sabilizaor z układem LM317 (C) LM317L 220Ω 1µF A V osc ,7kΩ 8