Stabilizator napięcia

Transkrypt

1 Stabilizator napięcia 2011 Zasilacze Źródło energii eletrycznej dla uładu wyonawczego: źródło napięciowe, źródło prądowe (ograniczni prądu), zabezpieczenie przed przegrzaniem, zapaleniem, porażeniem itp. Zasilacz przetwarza energię eletryczną pobieraną z sieci Standardowy schemat bloowy zasilacza: JŚCIE JŚCIE sieć transformator prostowni filtr stabilizator obciążenie Transformator: dopasowanie przemiennego napięcia sieci do napięcia wyjściowego zasilacza galwaniczna izolacja uładu eletronicznego od sieci Prostowni: przeształcenie prądu przemiennego na prąd zmienny płynący w jednym ierunu Najprostszy prostowni jednopołówowy: dzielni napięcia z diodą prostowniczą Prostowni jednopołówowy I U

2 Prostowni dwupołówowy: więsza wydajność, więsza zawartość sładowej stałej w widmie wyjściowym, podstawowa sładowa pulsacji wynosi 100 Hz. podstawowy uład: moste Graetza - L L UKŁAD GAETZA - Dla uładów wymagających dużych prądów stosuje się trójfazowe prostownii dwupołówowe: S T - U t niewiela zawartość sładowych harmonicznych najmniejsza częstość pulsacji wynosi 300 Hz C L Filtry dolnoprzepustowe: U U MAX typu C lub typu L (dla dużych prądów wyjściowych) do wyeliminowania pulsacji Stała czasowa C musi być więsza od oresu pulsacji Na przyład, jeśli dopuszczalny zares flutuacji napięcia wyjściowego 10 %, minimalna pojemność C wynia z warunu: T/ LC [ ] U U U 1 e < 01. U MAX MIN MAX MAX T jest oresem pulsacji. Dioda i ondensator powinny mieć odporność na przebicie: T U 2 2U U MIN t MAX 2

3 Stabilizatory napięcia Zasada działania: dzielni napięciowy element atywny stabilizatory szeregowe i równoległe, w zależności od położenia elementu regulującego względem wyjścia L element atywny L Stabilizatory równoległe: Najprostszy: stabilizator z diodą Zenera, U U Z Stopień stabilizacji zależy od stabilności obciążenia U >U Z U U Z Wzmacniacz o wspólnym oletorze dzielni napięcia z diodą Zenera pełni rolę źródła napięcia odniesienia element atywny - tranzystor U U U Z 0.7V Wada stabilizatorów równoległych: stały pobór prądu ze źródła napięcia bez obciążenia wyjścia Stabilizatory szeregowe: niewieli pobór prądu ze źródła bez obciążenia wyjścia (wzmacniacze o wspólnym oletorze) wahania napięcia wyjściowego wraz ze zmianą U obciążenia i temperatury do ilu procent! U U Z - 0.7V 3

4 Stabilizatory napięcia ze wzmacniaczami błędu znacznie bardziej doładne Element regulacyjny U U Z U - 2 U Z wzorzec napięcia wzmacniacz błędu 2 Próbowanie napięcia wyjściowego Porównywane napięcie wyjściowe we wzmacniaczu błędu z napięciem wzorcowym wzmacniacz steruje tranzystorem (regulacja rezystancji tranzystora) zmniejszenie zależności napięcia od temperatury tranzystora uład pozwala na stabilizację dowolnego napięcia U > (U Z 0.7V) W pratyce: U > U Z 2V Wada: uszodzenia przy zbyt wielim poborze prądu Moc cieplna wydzielana w tranzystorze regulującym: P(U -U )*I Zwarcie wyjścia P. Stabilizator napięcia z ograniczniiem prądu zabezpieczenie przed nadmiernym poborem prądu ze stabilizatora T 1 ST 1 T 2-2 Niewieli pobór prądu > tranzystor T 2 zabloowany. Duży pobór prądu > spade napięcia ooło 0.7 V na rezystorze ST > tranzystor T 2 przewodzi bloując przepływ prądu tranzystora T 1 > zmniejszenie napięcia wyjściowego Masymalny prąd wyjściowy: I MAX 0.7V ST Duży pobór prądu powoduje wydzielanie ciepła w tranzystorze T 1 4

5 Uniwersalne stabilizatory napięć z ograniczniami prądu ułady scalone Przyład: uład scalony µa 723 do budowy stabilizatorów liniowych i impulsowych. Ćwiczenie: Stabilizator napięcia Zasilacz stabilizowany 12V z uładem µa723 Przetwornice - stabilizatory impulsowe o dużej sprawności napięcie sieciowe jest prostowane, modulowane z wysoą częstością impulsy wysoiej częstości transformowane prostowanie i filtrowanie na wyjściu wytwarzane jest napięcie stałe Stabilizacja napięcia wyjściowego: automatyczna regulacja szeroości impulsów modulujących w stosunu do oresu ich powtarzania (τ/t) Przy wysoiej częstości (10-20 Hz): miniaturyzacja transformatora, niewielie pojemności filtrujące, wysoa sprawność zasilacza inteligentne zasilacze sterowane miroprocesorem 5

6 Półprzewodniowe stabilizatory napięć standardowych (5V, 9V, 12V, 15V, 24V itd,) zabezpieczone termicznie i prądowo Foto: Piotr Góreci Powielacz napięcia Zastosowanie: źródła wysoiego napięcia stałego o niewieliej (o. 1 ma) wydajności prądowej Diodowo - pojemnościowe powielacze napięcia Przyład podwajacz napięcia: wejście: źródło napięcia zmiennego wyjście: stałe napięcie Wydajność prądowa zależy od częstości impulsów ze źródła Przy wysoich stopniach powielenia, napięcia wyjściowe mogą przeraczać dziesiąti tysięcy woltów dla uładów zbudowanych z elementów nisonapięciowych! 6

7 Sprzężenie zwrotne: - oddziaływanie sutu na przyczynę - wpływa na własności uładu eletronicznego Wzmacniacz: podstawowy uład eletroniczny ze sprzężeniem zwrotnym. Pętla sprzężenia zwrotnego przenosi część sygnału z wyjścia na wejście IN umożliwiając dodawanie do sygnału wejściowego. A A INA A f A f A IN β A ponieważ: Wzmocnienie wzmacniacza: Stopień sprzężenia zwrotnego: A A A wypadowe wzmocnienie uładu ze sprzężeniem: Wzmacniacz i uład sprzężenia zwrotnego przesuwają fazę: IN f f A A A AIN β A f A A A Af IN 1 β Stąd, wzmocnienie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym: f exp( jφ) oraz β β exp( jψ ) 1 β ( cosφ j sinφ ) [ cos( φ ψ ) j sin( φ ψ )] Szczególne przypadi: dodatnie sprzężenie zwrotne φψ2nπ ujemne sprzężenie zwrotne φψ(2n1)π f 1 β f zwięszenie efetywnego 1 β wzmocnienia wzmacniacza zmniejszenie efetywnego wzmocnienia wzmacniacza odzaj sprzężenia zwrotnego wpływa na własności urządzeń eletronicznych Stabilność wzmocnienia: stabilność bezwzględna : Dla dodatniego sprzężenia zwrotnego Dla ujemnego sprzężenia zwrotnego: γ γ 1 d f d γ ( 1 β ) <1 2 czyli ujemne sprzężenie zwrotne poprawia stabilność uładu 1 ( 1 β ) 2 >1 czyli stabilność wzmacniacza pogarsza się Jeśli duże wzmocnienia ( ) i ujemne sprzężenie, to f 1 Parametry uładu są wyznaczone tylo przez parametry uładu sprzężenia zwrotnego, tóre mogą być bardzo stabilne (elementy bierne) β 7

8 Sprzężenie zwrotne ustala pasmo transmisji uładów eletronicznych Charaterystya wzmacniacza podobna ja dla filtra dolnoprzepustowego 0 ( ) 1 j Wzmocnienie uładu ze sprzężeniem zwrotnym β: 0 j 1 ( ) g f ( ) 1 β ( ) β 0 1 j 1 g g Oznaczając: wzmocnienie otrzymujemy wzmocnienie uładu ze sprzężeniem: fg dodatnie sprzężenie zwrotne bez sprzężenia ujemne sprzężenie zwrotne g g g g- ( 1 β 0 ) f f 0 ( ) 1 j częstość f ( β 0 ) / fg Ujemne sprzężenie zwrotne: zmniejszenie mas. wzmocnienia zwięszenie częstości granicznej Dodatnie sprzężenie zwrotne: zwięszenie mas. wzmocnienia ograniczenie pasma przenoszenia Ujemne sprzężenie - orzystna modyfiacja własności uładu eletronicznego zwięszenie stabilności, reducja współczynnia szumów, poszerzenie pasmo częstości Zmniejszenie efetywnego współczynnia wzmocnienia nie jest ograniczeniem! L CBC E Ujemne sprzężenie zwrotne: do stabilizacji puntu pracy - za pomocą rezystora E umieszczanego w emiterze Występuje w postaci efetu Millera, (pojemność C BC ): ograniczenie wzmocnienia dla wysoich częstości Dodatnie sprzężenie zwrotne oddziałuje nieorzystnie na uład; w zasadzie stosowane tylo w generatorach 8

9 Generatory - najczęściej wzmacniacze z silnym dodatnim sprzężeniem zwrotnym β f 1 β dla β 1 wzmocnienie efetywne uładu f E Multiwibrator astabilny (generator przebiegów prostoątnych) połączone w pętli dwa wzmacniacze o wspólnym emiterze (ażdy odwraca fazę) oba tranzystory pracują w nasyceniu! dwie sprzężone brami NAND osc2.ct osc3.ct Generator przebiegów sinusoidalnych Zasada: dodatnie sprzężenie zwrotne tylo dla ograniczonego pasma częstości Warune sprzężenia zwrotnego spełniony tylo dla częstości rezonansowej o Przebiegi sinusoidalne o częstości o Podstawowe ułady wzmacniaczy odwracających fazę z dodatnim sprzężeniem rezonansowym Meissnera Hartleya Colpitsa Z przesuwniami fazowymi: Oscylacje przy częstości, dla tórej przesunięcie fazowe wynosi 180 o Stabilność częstości ( ν ν ν ν) uładów ze sprzężeniem LC nie przeracza 10-4 Można taże budować generatory ze wzmacniaczami nieodwracającymi fazy reconator.ct 9

10 Oscylator warcowy w pętli rezonansowej sprzężenia zwrotnego Zwięszenie stabilności częstości oscylacji (drgania uładów mechanicznych) Kryształy warcu mają własności piezoeletryczne Efet piezoeletryczny jest odwracalny: przyładanie napięć do ścian ryształu piezoeletrycznego powoduje jego odształcanie oscylator warcowy uład rezonansowy szeregowo-równoległy oscylator warcowy i jego uład zastępczy E impedancja rezonans równoległy I h. rezonans równoległy II h 1 rezonans szeregowy II h 2 rezonans szeregowy I h częstość OSCYLATO Stabilność częstości może przeraczać 10-7 Podstawowe ułady generatorów warcowych są nieprzestrajalne reconator.ct Syntezery - generatory warcowe o częstości regulowanej dzielenie częstości za pomocą technii cyfrowej mnożenie i sumowanie częstości w technice nieliniowej Stabilność odpowiada stabilności wzorcowego generatora warcowego programator generator warcowy powielacz częstości n m dzielni częstości JŚCIE generator sterowany napięciem DC prostoąt n m detetor fazy n m sinus Phase Loced Loop Syntezery stosowane w badaniach nauowych i teleomuniacji taże w odbiorniach radiowych i telewizyjnych 10