LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI PARAMETRYCZNY STABILIZATOR NAPIĘCIA

Transkrypt

1 ZESPÓŁ LABRATRIÓW TELEMATYKI TRANSPRTU ZAKŁAD TELEKMUNIKACJI W TRANSPRCIE WYDZIAŁ TRANSPRTU PLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ LABRATRIUM PDSTAW ELEKTRNIKI INSTRUKCJA D ĆWICZENIA NR 6 PARAMETRYCZNY STABILIZATR NAPIĘCIA D UŻYTKU WEWNĘTRZNEG WARSZAWA 2016

2 A. Cel ćwiczenia - Zrozumienie zasady działania stabilizatora napięcia - Zrozumienie zasady działania i zastosowań obwodów prądu stałego Podstawowe wymagania Schemat blokowy układu stabilizatora napięcia I 0 U we UKŁAD STABILIZATRA NAPIĘCIA U 0 R 0 1. Wymaga się aby napięcie wyjściowe (U ) pozostawało stałe niezależnie od zmian napięcia zasilania (U we ). 2. Wymaga się aby napięcie wyjściowe (U ) pozostawało stałe niezależnie od zmian prądu obciążenia (I ). 1. Podstawowy układ parametrycznego stabilizatora napięcia R I R I 0 I Z U we U 0 R 0 Rys. 1. Schemat stabilizatora parametrycznego Jeśli napięcie zasilania (U we ) lub prąd obciążenia (I ) ulegają zmianie, napięcie wyjściowe (U ) powinno pozostać stałe. 2

3 Rys. 1a. Stabilizator parametryczny - graficzna analiza pracy Przykład 1 Rozważmy obwód z rys. 1, gdzie: U Z = 6,2 [V] R = 1 [k] R = 2 [k] U we = 12 [V] Chcemy wyznaczyć wartości: I R, I Z, I. Rozwiązanie I I I R Z U U R I R we Z U Z ( 12 6,2) [ V ] 5,8 10 [ A] 5,8 [ ma] R 110 [ ] 6,2 [ V ],1 10 [ A],1 [ ma] 210 [ ] I (5,8 10,1 10 )[ A] 2,7 [ ma] Przykład 2 Rozważmy ten sam układ, przy zmianie napięcia wejściowego na U we = 20 [V]. bliczamy I R, I Z, I.

4 I R I I Z ( 20 6,2) [ V ] 1,8 10 [ A] 1,8 [ ma] 110 [ ] 6,2 [ V ],1 10 [ A],1 [ ma] 210 [ ] (1,8 10,1 10 )[ A] 10,7 [ ma] Przykład Zmieniamy wartość R z przykładu 1 na 1,5 [k] Wyznaczamy I R, I Z, I. I R I I Z ( 12 6,2)[ V ] 5,8 10 [ A] 5,8 [ ma] 110 [ ] 6,2 [ V ] 4,1 10 [ A] 4,1 [ ma] 1,5 10 [ ] (5,8 10 4,1 10 ) [ A] 1,7 [ ma] Z powyższych trzech przykładów możemy zauważyć, że jeżeli napięcie zasilania lub rezystancja obciążenia ulegają zmianie, to U = U Z pozostaje bez zmian i wynosi 6,2 [V], zmianie ulegają wartości prądów. Należy zauważyć, że istnieją ograniczenia na: I Zmax oraz I Zmin. Przykład 4 Diodę D z o parametrach P Zmax = 1 [W] oraz U Zmin = 5,6 [V] zastosowano w przykładzie 1. Wyznaczyć I Zmax oraz I Zmin. P Zmax = 1 [W], U Z = 6,2 [V] I Z max P Z max U ZD 1 [ W] ,2 [ V ] [ A] 150 [ ma] Jeżeli I Z > I Zmax (150 ma), dioda D z ulegnie uszkodzeniu (termicznemu). U Zmin = 5,6 [V] U U we R R R Jeżeli U Z < U Zmin, dioda D Z nie może pracować jako stabilizator napięcia. Mamy: 5,6 [ V ] 12 [ V ] 110 R [ ] R 4

5 5,6[ V ] R 110 [ ] 0,9 10 0, 9k 6,4[ V ] I Z min I R I ( 12 5,6) [ V ] 5,6 [ V ] (6, [ ] 0,9 10 [ ] 6,2 10 )[ A] 0,2 10 A 0,2 [ ma] 2. Wymagania stawiane stabilizatorom napięcia W tabeli A zestawiono wymagania stawiane stabilizatorom napięcia. Wymaganie 1. Wahania napięcia zasilania (zmiana napięcia na obciążeniu U ) odpowiadająca zmianom napięcia na wejściu (U we ) U = f(u we ) 2. Wahania obciążenia (zmiana napięcia na obciążeniu U ) odpowiadająca zmianom prądu możliwe najmniejsze możliwe najmniejsze na obciążeniu (I ) U = f(i ). Tętnienia możliwe najmniejsze 4. Zabezpieczenie przed przekroczeniem wartości prądu (I ) 5. Dopuszczalny zakres napięcia wyjściowego (U ) Tabela A 5

6 B. Część eksperymentalna Przebieg ćwiczenia Badanie podstawowego układu stabilizatora napięcia 1. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2a i 2a1 a) b) c) a1) b1) c1) Rys. 2. Schematy ideowe i pomiarowe podstawowego układu stabilizatora napięcia 6

7 2. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U o = f(u we ) przy I = const. (wartość I regulowana jest potencjometrem VR2). Wykonać pomiary według tabel 1. Tabela 1 U we [V] 2, dla I 0 = 1 [ma] Tabela 2 U we [V] 2, dla I 0 = 1,5 [ma] Tabela U we [V] 2, dla I 0 = 2 [ma]. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U 0 = f(u we ) przy I = const. (wg tabel 1 ). 4. W sprawozdaniu określić wartości U wemin dla U o = 6,2 [V] dla różnych wartości prądu I. Lp. U o = 6,2 [V] U wemin 1 I o = 1 [ma] 2 I o = 1,5 [ma] I o = 2 [ma] 7

8 5. Wyznaczyć rodziny charakterystyk: U o = f(i ) przy U we = const. I o = f(u ) przy U we = const. I o + I Z = f(u ) przy U we = const. Wykonać pomiary według tabel 4 8. Tabela 4 I [ma] 0, U [V] I we [ma] dla U we = 7 [V] Tabela 5 I [ma] 0, U [V] I we [ma] dla U we = 9 [V] Tabela 6 I [ma] 0, U [V] I we [ma] dla U we = 12 [V] Tabela 7 I [ma] 0, U [V] I we [ma] dla U we = 14 [V] Tabela 8 I [ma] 0, U [V] I we [ma] dla U we = 18 [V] 6. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U = f(i ) przy U we = const. 8

9 7. Na wspólnym wykresie narysować charakterystyki: I we = f(u ) przy U we = const. dla U we = 12V, 14V, 18V Na wspólnych wykresach narysować charakterystyki: I we = f(u ) przy U we = const. I = f(u ) przy U we = const. I Z = f(u ) przy U we = const. odpowiednio dla napięć wejściowych U we = 12, 14, 18 [V] 8. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2b i 2b1 9. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U o = f(u we ) przy I = const. Wykonać pomiary według tabel Tabela 9 U we [V] 2, dla I 0 = 1,5 [ma] Tabela 10 U we [V] 2, dla I 0 = 2 [ma] Tabela 11 U we [V] 2, dla I 0 = 2,5 [ma] 10. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U 0 = f(u we ) przy I = const. (wg tabel 9 11). 9

10 11. W sprawozdaniu określić wartości U we min dla U o = 10 [V] dla różnych wartości prądu I. Lp. U o = 10 [V] U wemin 1 I = 1,5 [ma] 2 I = 2 [ma] I = 2,5 [ma] 12. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U o = f(i ) przy U we = const. I z = f(i ) przy U we = const. Wykonać pomiary według tabel Tabela 12 I [ma] U [V] dla U we = 12 [V] Tabela 1 I [ma] U [V] dla U we = 14 [V] Tabela 14 I [ma] U [V] dla U we = 18 [V] 1. Na wspólnych wykresach narysować rodziny charakterystyk odpowiednio U o = f(i ) przy U we = const. I z = f(i ) przy U we = const. 14. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2c i 2c1 15. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U o = f(u we ) przy I = const. Wykonać pomiary według tabel Tabela 15 U we [V] 2, dla I 0 = 1,5 [ma] 10

11 Tabela 16 U we [V] 2, dla I 0 = 2 [ma] Tabela 17 U we [V] 2, dla I 0 = 2,5 [ma] 16. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U 0 = f(u we ) przy I = const. (wg tabel 17 19). 17. W sprawozdaniu określić wartości U we min dla U o = 12,4 [V] dla różnych wartości prądu I. Lp. U o = 12,4 [V] U we min 1 I = 1,5 [ma] 2 I = 2 [ma] I = 2,5 [ma] 18. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U o = f(i ) przy U we = const. Wykonać pomiary według tabel Tabela 18 I [ma] 1, U [V] dla U we = 14 [V] Tabela 19 I [ma] 1, U [V] dla U we = 16 [V] 11

12 Tabela 20 I [ma] 1, U [V] dla U we = 18 [V] 19. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U o = f(i ) przy U we = const. (wg tabel 18 20). C. Podsumowanie i wnioski części eksperymentalnej 1. Na podstawie wykonanych pomiarów współczynnik stabilizacji napięcia U f ( ) (p.2, 9, 15) wyznaczyć U wej Iwyj 0 dla różnych wartości I. K U U wej Io 0 2. Na podstawie wykonanych pomiarów U f ( I ) (p. 5, 12, 18) obliczyć Uwej 0 wyjściową rezystancję dynamiczną R wyj U I o Uwej 0 dla różnych wartości U wej.. Na wspólnych wykresach narysować rodziny charakterystyk dla zależności: U = f(u wej ) dla różnych wartości I (p., 10, 16), K = f(u wej ) dla różnych wartości I, U = f(i ) dla różnych wartości U wej (p. 6, 1, 19), R wy = f(i ) dla różnych wartości U wej, I + I Z = f(u ) przy U we = const. (p. 7), I we = f(u ) przy U we = const. (p. 7), I Z = f(i ) przy U we = const. (p. 1), dla badanych układów stabilizatorów. W sprawozdaniu należy także przedstawić obserwacje wynikające z realizacji punktów 11 i 17 oraz wnioski z wykreślonych rodzin charakterystyk (p. C ). 12

13 D. Symulacyjna komputerowa Używając programu komputerowego podanego przez prowadzącego należy wykonać układ przedstawiony na rys.. Rys.. Układ do badania stabilizatora parametrycznego Zdjąć charakterystykę U o =f(u we ) przy R o =1k=const. wpisując wyniki do tabeli 21. Tabela 21 U we [V] ,5 7 7,5 8 8,5 9 9, , , Zdjąć charakterystykę U o =f(u we ) przy R o =10k=const. wpisując wyniki do tabeli 22. Tabela 22 U we [V] ,5 7 7,5 8 8,5 9 9, , ,

14 Zdjąć charakterystykę U o =f(u we ) przy R o =500=const. wpisując wyniki do tabeli 2. Tabela 2 U we [V] ,5 7 7,5 8 8,5 9 9, , , Zdjąć charakterystykę U o =f(r o ) przy U we =10V=const. wpisując wyniki do tabeli 24. Tabela 24 R o [k] 0,1 0,15 0,2 0, 0,4 0,5 1 1,5 2 Zdjąć charakterystykę U o =f(r o ) przy U we =12V=const. wpisując wyniki do tabeli 25. Tabela 25 R o [k] 0,1 0,15 0,2 0, 0,4 0,5 1 1,5 2 Zdjąć charakterystykę U o =f(r o ) przy U we =15V=const. wpisując wyniki do tabeli 26. Tabela 26 R o [k] 0,1 0,15 0,2 0, 0,4 0,5 1 1,5 2 Wyznaczone charakterystyki wykreślić. E. Wyposażenie Elementy układu: Stanowisko laboratoryjne KL szt. 1 Moduł laboratoryjny KL szt. 1 Sprzęt pomiarowy: Cyfrowy miernik uniwersalny... szt. 4 Komputer wraz z oprogramowaniem do symulacji elementów i układów elektronicznych analogowych i cyfrowych 14

15 F. Zagadnienia do opracowania 1. Definicja stabilizatora oraz podstawowych parametrów (współczynnik stabilizacji napięcia, współczynnik temperaturowy, rezystancja wyjściowa, sprawność energetyczna). 2. Stabilizator parametryczny schemat i graficzne wyjaśnienie działania.. Stabilizator napięcia ze sprzężeniem zwrotnym i szeregowym elementem regulacyjnym schemat, wyjaśnienie roli poszczególnych elementów. 4. Wpływ temperatury na pracę stabilizatorów i sposoby kompensacji tego wpływu. 5. Metody zabezpieczeń stabilizatorów przed przeciążaniem. G. Literatura 1. Dobrowolski A., Jachna Z., Majda E., Wierzbowski M.: Elektronika - ależ to bardzo proste!. Wydawnictwo BTC, Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki. Tom I i II. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Kaźmierkowski M., Matysik J.: Wprowadzenie do elektroniki i energoelektroniki. ficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Tietze U., Schenk C:,,Układy półprzewodnikowe. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Wawrzyński W.:,,Podstawy współczesnej elektroniki. ficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,