LABORATORIUM ELEKTRONIKA. I. Scalony, trzykońcówkowy stabilizator napięcia II. Odprowadzanie ciepła z elementów półprzewodnikowych

Transkrypt

1 LABORATORIUM ELEKTRONIKA I. Scalony, trzykońcówkowy stabilizator napięcia II. Odprowadzanie ciepła z elementów półprzewodnikowych Opracował: dr inż. Jerzy Sawicki Wymagania, znajomość zagadnień (I): 1. Schematy aplikacyjne uniwersalnych, scalonych, trzykońcówkowych stabilizatorów napięcia; dobór elementów zewnętrznych ustalających napięcie wyjściowe stabilizatora. 2. Podstawowe parametry elektryczne stabilizatora napięcia LM Zabezpieczenia przeciążeniowe stabilizatora LM Definicje podstawowych parametrów stabilizatorów napięcia: Line Regulation, Load Regulation i rezystancji wyjściowej. Wymagania, znajomość zagadnień (II): 1. Pojęcie rezystancji termicznej, podstawowe zależności (w tym sumowanie rezystancji) i ich wykorzystanie do obliczeń temperatury i mocy. 2. Definicje parametrów termicznych półprzewodnikowych elementów mocy wpływ typu obudowy. 3. Obliczanie i pomiar mocy wydzielanej w elemencie półprzewodnikowym. 4. Elementy do pomiaru temperatury: termistory, rezystory Pt100, Pt1000, termopary, przetworniki scalone typu MCP9700A. 5. Należy przygotować informacje o wartościach rezystancji termicznych obudowy układu LM317 oraz radiatora, na podstawie literatury pkt. 4. Literatura (I i II): 1. Horowitz P., Hill W: Sztuka elektroniki, cz.1. Wyd. VII. WKiŁ, Warszawa Kwaśniewski S.: Stabilizatory napięcia: dane i zastosowania, Gdańsk Pelc T., Borczyński J.: Odprowadzanie ciepła z przyrządów półprzewodnikowych, Warszawa Karty katalogowe: stabilizatora napięcia LM317 (firmy STMicroelectronics), przetwornika MCP9700A (firmy Microchip) oraz radiatora SK SA TO 220 (firmy Fisher Elektronik). 5. Wykłady. 1

2 I. Scalony, trzykońcówkowy stabilizator napięcia Uwaga: A. Podczas pomiarów nie należy przekraczać wartości 24V napięcia wejściowego. B. Stabilizator jest odporny na długotrwały stan zwarcia na wyjściu. C. Stabilizator oraz radiator mogą podczas pracy osiągać wysokie temperatury (nawet do 120 o C,) grożące oparzeniem zachować ostrożność! 1. Połączyć układ pomiarowy stabilizatora napięcia umieszczonego na płytce laboratoryjnej, przedstawionej na rysunku 1 (należy wykorzystać stabilizator z górnej części płytki). Rys. 1. Schemat ideowy układu do badania stabilizatora napięcia. 2. Przy napięciu wejściowym równym 15 V zmierzyć napięcie na wyjściu (bez obciążenia) w następujących układach: bez zewnętrznego dzielnika napięcia R EXT1 =0, z dzielnikiem złożonym z elementów R1=750 Ω i R2=240 Ω, z dzielnikiem złożonym z elementów R EXT1 (zewnętrzny rezystor dekadowy) i R2=240 Ω; znaleźć wartość R EXT1, przy której napięcie na wyjściu wynosi 12,0 V. W sprawozdaniu przeanalizować otrzymane wyniki i porównać z wartościami teoretycznymi; wskazać przyczyny rozbieżności. 3. Przygotować stabilizator do pracy z elementami R1 i R2. Obciążyć wyjście stabilizatora zewnętrznym rezystorem suwakowym ustawić na nim wartość około 50 Ω. 4. Wyznaczyć zależność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego (od zera do 24 V). 5. W sprawozdaniu sporządzić wykres tej zależności, a na jego podstawie obliczyć parametr Line Regulation stabilizatora. Na wykresie zaznaczyć przedziały napięć przyjęte do obliczenia współczynnika Line Regulation. 6. Przy tym samym dzielniku napięcia (R1, R2) wyznaczyć charakterystykę obciążeniową stabilizatora: napięcie wyjściowe w funkcji zmian prądu obciążenia (zmieniając rezystancję rezystora suwakowego). Zaobserwować wpływ temperatury stabilizatora na prąd zwarciowy stabilizatora. 7. Sporządzić charakterystykę graficzną zbadanej zależności. Wyjaśnić problemy z wykreśleniem tej zależności dla dużych prądów wyjściowych. 8. W sprawozdaniu obliczyć parametr Load Regulation i rezystancję wyjściową stabilizatora. Na wykresie zaznaczyć przedziały napięć i prądów przyjęte do obliczeń. 2

3 II. Odprowadzanie ciepła z elementów półprzewodnikowych Uwaga: A. Ustawić maksymalny prąd zasilacza ok. 0,7A. B. Stabilizator jest odporny na długotrwały stan zwarcia na wyjściu. C. Stabilizator oraz radiator mogą podczas pracy osiągać wysokie temperatury (nawet do 150 o C,) grożące oparzeniem zachować ostrożność! 1. Celem ćwiczenia jest porównanie procesów odprowadzania ciepła na przykładzie dwóch scalonych, półprzewodnikowych stabilizatorów napięcia typu LM317 w obudowach TO220, zaopatrzonych w radiatory, różniących się jedynie celowo pogorszonym stykiem obudowy układu z powierzchnią radiatora w dolnym stabilizatorze (zastosowano przekładkę z kartonu). Widok płytki laboratoryjnej przedstawiono na rys. 2. Do każdego z radiatorów dołączony jest scalony, analogowy przetwornik temperatury, pozwalający na pomiar temperatury na podstawie napięcia wyjściowego Un(T). Szczegóły funkcji przetwarzania należy odszukać w karcie katalogowej układu MCP9700A (dostępna w internecie). Rys. 2. Widok płytki laboratoryjnej z dwoma nieróżniącymi się układowo stabilizatorami napięcia typu LM317. Dolny układ ma celowo dodaną przekładkę izolacyjną między obudową TO-220 a radiatorem. Wyznaczenie tej nieznanej rezystancji termicznej R thx jest jednym z celów ćwiczenia. 3

4 R th j-c R th c-s 0,2 K/W R th s-a P 1 = U we I 1 t j t c t s t a R th j-c R th x =? R th s-a P 2 = U we I 2 Rys. 3. Rysunek przedstawia układ rezystancji termicznych w górnym i dolnym stabilizatorze napięcia oraz schemat przepływu mocy cieplnej od struktury scalonej oznaczonej literą j (ang. junction), przez obudowę TO-220 oznaczoną literą c (ang. case), następnie (przez mechaniczne połączenie obudowy z radiatorem) do radiatora oznaczonego literą s (ang. sink heat), aż do otaczającego powietrza oznaczonego literą a (ang. ambient). W układzie laboratoryjnym stabilizatorów możliwy jest pomiar temperatury radiatora i otoczenia za pomocą scalonego przetwornika temperatury. Można też, za pomocą termoparowej sondy pomiarowej będącej na wyposażeniu multimetru, dokonać pomiaru temperatury w różnych punktach układu. Prawidłowo wykonane połączenie obudowy górnego układu scalonego z radiatorem gwarantuje uzyskanie małej rezystancji termicznej, około 0,2 K/W. Dolny układ ma celowo zwiększoną, ale nieznaną, wartość rezystancji termicznej w celu przećwiczenia umiejętności prowadzenia obliczeń w układach chłodzenia. V +U IN IN LM317 OUT A GND ADJ R2(R4) R5 (rezystor dodatkowy) Rys. 3. Schemat ideowy układu do pomiarów termicznych z układem LM Odczytać temperaturę otoczenia przy pomocy termopary przyłączonej do multimetru. 3. Przyłączyć do gniazd U IN i GND płytki napięcie ok. 5 8V. Zmierzyć wartości napięć na wyjściach przetworników na tej podstawie określić temperaturę otoczenia t a. 4. Połączyć górny stabilizator zgodnie ze schematem z rysunku 3. Do wejścia stabilizatorów przyłożyć napięcie o wartości zapewniającej wydzielanie w układzie scalonym mocy równej 4,0W. Przystąpić do badania górnego stabilizatora. 5. Obserwować i mierzyć temperaturę obudowy układu scalonego (termoparą) i radiatora (przetwornikiem MCP9700) w ustalonych odstępach czasu. Poczekać, na ustalenie stanu równowagi termicznej. Wykonać odczyt temperatury w dostępnych punktach układu odprowadzania ciepła. 4

5 6. W sprawozdaniu określić szczegóły przepływu ciepła i porównać otrzymane wyniki z obliczeniami teoretycznymi. Narysować charakterystykę zmian mierzonych temperatur w funkcji czasu. Przyjąć katalogowe wartości rezystancji termicznej układu LM317 i radiatora. 7. Powtórzyć pomiary dla dolnego układu, analogiczne jak w punktach 3 i Obliczyć wartość nieznanej rezystancji termicznej R thx. 9. Zwiększyć moc dostarczaną do układu dolnego do 6,5W. Powtórzyć pomiary, analogiczne jak w punktach 3 i Porównać wyniki otrzymane w dwóch badaniach dolnego stabilizatora. Wskazać możliwe przyczyny rozbieżności. 11. Oszacować maksymalną temperaturę złącza t j w poszczególnych pomiarach 5