Ćwiczenie M03: Zasilacz stabilizowany

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: Metrologia (TS1C ) Tytuł ćwiczenia Ćwiczenie M03: Zasilacz stabilizowany Opracowanie: Jan Waśkiewicz Białystok 2016

2 Spis treści 1. Cel ćwiczenia 3 2. Zasilacz stabilizowany 3 3. Przebieg ćwiczenia Stanowisko pomiarowe Pomiary Opracowanie wyników Wymagania BHP Pytania i zadania kontrolne Literatura 14 Zał.1. Karta katalogowa zasilaczy NDN serii DF17xx. 15 Materiały dydaktyczne przeznaczone dla studentów Wydziału Elektrycznego PB. Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka, 2016 Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być kopiowana i odtwarzana w jakiejkolwiek formie i przy użyciu jakichkolwiek środków bez zgody posiadacza praw autorskich

3 1. Cel ćwiczenia M03 Zasilacz stabilizowany Celem ćwiczenia jest poznanie obsługi oraz właściwości zasilacza stabilizowanego prądu stałego. 2. Zasilacz stabilizowany Zasilacz stabilizowany prądu stałego jest jednym z najpowszechniejszych urządzeń używanych w elektronice i elektrotechnice. Zasilacz stabilizowany jest to urządzenie służące do dostarczania energii elektrycznej o ustalonej wartości napięcia lub prądu do obwodów elektrycznych. W zasilaczach laboratoryjnych wartości napięcia i prądu mogą być regulowane w sposób płynny oraz są stabilizowane. Zasilacze mogą pracować w trybie stabilizacji napięcia (CV, od ang. constant voltage) lub stabilizacji prądu (CC, od ang. constant current). Przełączanie pomiędzy tymi trybami odbywa się w sposób automatyczny i zależy od ustawionej wartości napięcia ograniczającego U ogr oraz prądu ograniczającego I ogr. Jeśli, na przykład, będziemy zmniejszali rezystancję obciążenia R o zasilacza od nieskończoności (zaciski rozwarte) do zera (zaciski zwarte), to najpierw zasilacz będzie pracował w trybie CV o napięciu U ogr, a gdy prąd zwiększy się do I ogr przejdzie do trybu CC. Przełączenie nastąpi przy jakiejś wartości rezystancji R ogr, którą nazwiemy graniczną. Zasilacz stabilizowany można zatem traktować jako urządzenie zawierające rzeczywiste źródło napięcia stałego oraz rzeczywiste źródło prądu stałego. Schemat ideowy takiego źródła napięcia z podłączonym do niego odbiornikiem o rezystancji R o przedstawiono na rys.1. Siła elektromotoryczna źródła wynosi E, zaś R w jest jego rezystancją wewnętrzną. Korzystając z II prawa Kirchhoffa możemy zapisać równanie obwodu w postaci: E U Rw I, (1) gdzie: U napięcie na zaciskach źródła; I prąd płynący przez odbiornik. Po rozwiązaniu tego równania względem U, otrzymamy charakterystykę napięciowo-prądową U(I) źródła U E Rw I. (2) Charakterystyka ta jest linią prostą, przedstawioną na rys.2 w postaci odcinka 1. Rzeczywiste źródło napięcia można zamienić na równoważne rzeczywiste źródło prądu zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.3. Wartość prądu źródłowego J wyniesie wówczas E J. (3) R w Rys. 1. Schemat ideowy rzeczywistego źródła napięcia obciążonego rezystancją R o Rys. 3. Schemat ideowy rzeczywistego źródła prądu obciążonego rezystancją R o - 3 -

4 Rys. 2. Charakterystyki napięciowo-prądowe idealnych i rzeczywistych źródeł napięcia i prądu. Podstawiając E wyznaczone z (3) do równania (2), i rozwiązując je względem J otrzymamy charakterystykę prądowo-napięciową I(U): U I J, (4) R w której wykres na rys.2 przedstawia również linia 1 (równoważność źródeł napięcia i prądu). Idealne źródło napięcia ma R w =0. Jeśli ten fakt uwzględnimy w (2), to otrzymamy U E const. (5) I Oznacza to, że napięcie na zaciskach idealnego źródła jest stałe, niezależnie od wartości pobieranego prądu, co ilustruje pozioma linia 2 na rys.2. Idealne źródło prądu charakteryzuje się z kolei zerową konduktancją (przewodnością) wewnętrzną G w, czyli R w =. Uwzględniając to w (4) otrzymamy I J const. (6) U Prąd pobierany z tego źródła jest zatem stały, niezależnie od napięcia powstającego na rezystancji obciążenia. Ilustruje to pionowa linia 3 na rys.2. Idealne źródło prądu nie ma równoważnego sobie idealnego źródła napięcia i odwrotnie. Idealny zasilacz miałby zatem charakterystykę przedstawioną za pomocą linii 4. Rzeczywisty zasilacz stabilizowany jest połączeniem rzeczywistego źródła napięcia (charakterystyka 5) i rzeczywistego źródła prądu (charakterystyka 6), zaś jego charakterystyką napięciowo-prądową jest krzywa 7. Przełączanie pomiędzy źródłem napięcia (CV) i prądu (CC) zachodzi w punkcie R ogr (rys.2). Aktualnemu stanowi pracy zasilacza odpowiada konkretny punkt na charakterystyce 7 (punkt pracy). Położenie tego punktu zależy od rezystancji obciążenia R o zasilacza. Zależności napięcia i prądu od R o nazywane są charakterystykami obciążeniowymi. Charakterystyki te można wyznaczyć korzystając z dowolnego równania obwodu przedstawionego na rys.1. Charakterystykę obciążeniową napięcia otrzymamy z (2) podstawiając prąd wyznaczony z prawa Ohma dla rezystancji R o : U U E R, (7) w R o a następnie rozwiązując to równanie względem U: RoE U. (8) R R w o - 4 -

5 Przy małych obciążeniach R o zasilacz pracuje jako źródło prądu (CC) i jego rezystancja wewnętrzna R wcc jest duża. Charakterystykę w tym trybie pracy otrzymamy z (8) wyznaczając granicę: ECC lim U Ro J Ro, (9) Rw RwCC gdzie: E CC, J siła elektromotoryczna i prąd źródłowy rzeczywistego źródła prądu. Zależność ta, jak widać, jest liniowa co ilustruje odcinek CC linii 1 na rys.4a. Przy wzroście rezystancji obciążenia powyżej wartości granicznej R ogr zasilacz przełącza się do trybu stabilizacji napięcia (CV). Rezystancja wewnętrzna źródła napięcia jest bardzo mała. Oznaczmy ją R wcv, zaś prąd źródłowy J CV a SEM E. Charakterystykę U(R o ) w tym trybie wyznaczymy analogicznie jak poprzednio: lim U E. (10) R w 0 Wartość napięcia jest zatem stała w funkcji obciążenia (odcinek CV krzywej 1 na rys.4a). Charakterystykę obciążeniową prądu otrzymamy z (4) podstawiając napięcie na R o zgodnie z prawem Ohma, a następnie rozwiązując równanie względem I : RwJ I. (11) Rw Ro Analizując zależność (11) w przypadkach CC i CV, uzyskamy odpowiadające im fragmenty charakterystyki: CC: lim I J, (12) CV: Rys. 4. Charakterystyki obciążeniowe napięcia (a) i prądu (b) zasilacza idealnego (1) i rzeczywistego (2). R w R J E wcv CV lim I, (13) Rw 0 Ro Ro - 5 -

6 Rys. 5. Charakterystyka wyjściowa zasilacza rzeczywistego wraz z ilustracją wielkości służących do określenia jego parametrów. po uwzględnieniu w (13) związku (3) dla równoważnego źródła napięcia. Pełną charakterystykę obciążeniową prądu idealnego zasilacza przedstawiono na rys.4b (krzywa 1). Zgodnie z (12) w trybie stabilizacji prądu jego wartość jest stała J, natomiast w trybie stabilizacji napięcia obserwujemy hiperboliczną zależność prądu od R o (13). Rzeczywisty zasilacz stabilizowany ma charakterystyki obciążeniowe (krzywe 2 na rys.4a,b) nieco odbiegające od idealnego. Zasilacze będące aktualnie w sprzedaży mogą mieć jeszcze bardziej złożone charakterystyki. Przykładem jest chociażby przyrząd badany w niniejszym ćwiczeniu. Jego charakterystykę napięciowo-prądową (wyjściową) przedstawiono na rys.5. Oprócz trybów CV i CC może on jeszcze pracować w trybie zabezpieczenia przeciwzwarciowego (ZZ). Przy spadku napięcia na obciążeniu poniżej U ZZ następuje redukcja prądu do wartości I ZZ niezależnie od ustawionych wartości napięcia i prądu ograniczającego (U ogr, I ogr ) oraz rezystancji R o (rys.5). Własności stabilizacyjne zasilaczy charakteryzujemy za pomocą zestawu parametrów określających wpływ poszczególnych czynników destabilizujących na wahania napięcia (w trybie CV) lub prądu (w trybie CC). Parametry te wyznaczane są osobno dla trybu stabilizacji napięcia i prądu. Czynnikami destabilizującymi są: zmiany napięcia zasilającego, obciążenia, temperatury otoczenia oraz wpływ czasu pracy urządzenia. Głównym czynnikiem jest wpływ obciążenia. Parametry obciążeniowe charakteryzujące pracę zasilacza w trybie CV definiowane są za pomocą wielkości przedstawionych na rys.5 dla odcinka 1-2 charakterystyki CV. Rezystancja wewnętrzna R wcv zasilacza jest jego rezystancją dynamiczną (różniczkową), czyli UCV b RwCV tg CV, (14) I a CV gdzie: a,b współczynniki skalowania osi prądu ( w cm A ) i napięcia ( w cm V )

7 Obciążeniowy współczynnik stabilizacji napięcia k U określany jest za pomocą stosunku względnego przyrostu prądu do względnego spadku napięcia przy zmianie rezystancji obciążenia R o od wartości odpowiadającej punktowi 1 (R o =, rozwarcie) do R o odpowiadającej punktowi 2: ICV Ik 1 Uk ku. (15) UCV RwCV Ik U k Punkt K leży w środku rozpatrywanego odcinka. Współczynnik k U przyjmuje wartości większe od 1. Obciążeniowa niestabilność napięcia δ U charakteryzuje względne zmiany napięcia wywołane przez zmiany rezystancji obciążenia: UCV U. (16) U ogr Wahania napięcia wywołane zmianami obciążenia można wyznaczyć z zależności: U U, (17) U ogr U 0 gdzie: U 0 składowa stała tych wahań. W katalogach zasilaczy własność ta podawana jest w postaci zapisu typu: CV<0,05%+10mV (Zał.1), który nie należy traktować jako wzór matematyczny, lecz zapis parametrów wzoru (17), czyli δ U =0,05% i U 0 =10mV. W sposób analogiczny do opisanego powyżej, definiowane są parametry charakteryzujące pracę zasilacza w trybie CC. Na części CC charakterystyki napięciowoprądowej (rys.5) wybieramy liniowy odcinek 3-4. W środku odcinka zaznaczamy punkt L(I L,U L ). Wielkości ΔU CC, ΔI CC, α CC charakteryzujące ten odcinek oraz prąd ograniczający I ogr służą do określenia parametrów stabilizacji prądu zasilacza. Rezystancja wewnętrzna R wcc, analogicznie do (14) wynosi: UCC b RwCC tg CC. (18) ICC a Obciążeniowy współczynnik stabilizacji prądu k I, analogicznie do (15) jest definiowany jako: UCC U L I L ki RwCC. (19) ICC U L I L Obciążeniowa niestabilność prądu δ I, analogicznie do (16), ICC I. (20) I ogr Wahania prądu wywołane zmianami obciążenia można wyznaczyć z zależności podobnej do (17): I I. (21) I ogr I 0-7 -

8 3. Przebieg ćwiczenia 3.1. Stanowisko pomiarowe M03 Zasilacz stabilizowany W ćwiczeniu badany będzie zasilacz stabilizowany prądu stałego typu DF1750SL5A. Może on dostarczać do obwodu elektrycznego stabilizowane napięcie o wartości do 50V i prąd do 5A. Inne parametry przyrządu zawarte są w karcie katalogowej dołączonej w załączniku 1. Schemat używanego stanowiska pomiarowego przedstawiony jest na rys.6. Składa się ono z wysokiej klasy (0,05%) rezystancji obciążenia R o regulowanej skokowo od 0,1Ω do 100kΩ, oraz dwóch multimetrów o wysokiej rozdzielczości odczytu (6½ cyfry) pełniących role woltomierza i amperomierza. Na rysunkach 7, 8 i 9 przedstawiono płyty czołowe używanych przyrządów. W podpisach wymieniono tylko te elementy, które będą potrzebne do wykonania niniejszego ćwiczenia. Rys. 6. Schemat stanowiska pomiarowego (ZS - zasilacz stabilizowany NDN DF 1750SL5A/50V; V - multimetr Rigol DM 3068 w trybie woltomierza napięcia stałego; A - multimetr Rigol DM 3068 w trybie amperomierza prądu stałego (wejście 10A); R o - opornik dekadowy DR6-16; K - wyłącznik jednobiegunowy). a) Rys. 7. Płyta czołowa opornika dekadowego DR6-16 (a) oraz schemat ideowy połączeń jego zacisków (b) (1,2,3,4,5 - zaciski wejściowe opornika; 6 - pokrętła kolejnych dekad; 7 - wskaźniki ustawienia kolejnych dekad)

9 włącznik zasilania; 2 - wskaźnik trybu pracy CC (stabilizacja prądu); 3 - pokrętło dokładnej (fine) regulacji prądu wyjściowego; 4 - pokrętło zgrubnej (coarse) regulacji prądu wyjściowego; 5 - wskaźnik pomiaru prądu wyjściowego; 6 - wskaźnik pomiaru napięcia wyjściowego; Rys. 8. Płyta czołowa zasilacza NDN DF 1750SL5A 7 - pokrętło dokładnej (fine) regulacji napięcia wyjściowego; 8 - pokrętło zgrubnej (coarse) regulacji napięcia wyjściowego; 9 - wskaźnik trybu pracy CV (stabilizacja napięcia); 10 - gniazdo wyjściowe + ; 11 - gniazdo masy zasilacza; 12 - gniazdo wyjściowe - ; Rys. 9. Płyta czołowa multimetru Rigol DM3068 (1 - włącznik zasilania; 2 - wyświetlacz; 3 - przycisk zmiany zakresu pomiarowego na wyższy w trybie ręcznym (Range +); 4 - przycisk włączenia trybu automatycznej zmiany zakresów (Auto); 5 - przycisk zmiany zakresu pomiarowego na niższy w trybie ręcznym (Range -); 6 - gniazdo wejściowe + przy pomiarze napięcia stałego (Input HI); 7 - gniazdo wejściowe - przy pomiarze napięcia i prądu stałego (Input LO); 8 - gniazdo wejściowe + przy pomiarze prądu stałego na zakresach 2 i 10A (Input 10A) 9 - przycisk włącznika trybu pomiaru prądu stałego ( I); 10 - przycisk włącznika trybu pomiaru napięcia stałego ( V)

10 3.2. Pomiary M03 Zasilacz stabilizowany 1. Połącz układ zgodnie ze schematem na rys.6 (multimetr A do gniazd 7 i 8 z rys.9). 2. Uzyskaj zgodę prowadzącego na wykonanie pomiarów. 3. Włącz zasilanie urządzeń. 4. Przełącz amperomierz do trybu pomiaru prądu stałego na zakresie 2A (przycisk 9 przycisk 3 na rys.9). 5. Ustaw pokrętła regulacji napięcia zasilacza (7 i 8 na rys.8) w pozycjach zerowych, a pokrętła prądu (3 i 4) w pozycjach maksymalnych. 6. Ustaw napięcie o wartości U ogr z tab Ustaw regulatory prądu (3 i 4) w pozycjach zerowych. 8. Na oporniku dekadowym ustaw wartość R o zadaną w tab Włącz wyłącznik K (poz.1). 10. Ustaw prąd o wartości I ogr z tab Ustaw R o = (można to zrobić ustawiając rezystancję opornika dekadowego o wartości 100kΩ). Zasilacz przejdzie do trybu CV. 12. Odczytaj wartości U i I i zapisz w tab Zmniejszaj stopniowo R o do uzyskania kolejnej wartości prądu z tab Odczytaj wartości R o, U i I i zapisz w tab Przy dalszym zmniejszaniu R o zasilacz przełączy się z trybu CV do CC. Odczytaj i zapisz w tab.1 wartości R o, U i I w ostatnim stanie trybu CV, a następnie w pierwszym stanie trybu CC. 16. Zmniejszaj stopniowo R o do uzyskania kolejnej wartości napięcia z tab Odczytaj wartości R o, U i I i zapisz w tab Przy dalszym zmniejszaniu R o zasilacz przełączy się z trybu CC do trybu zabezpieczenia przeciwzwarciowego ZZ (U<0,7V; I<200mA). Odczytaj i zapisz w tab.1 wartości R o, U i I w ostatnim stanie trybu CC, a następnie w pierwszym stanie trybu ZZ. Tab. 1. Wyniki pomiarów i obliczeń charakterystyk zasilacza U ogr =7,0V; R o =9,0Ω; I ogr =700mA; R ogr =... Ω; Tryb R o [Ω] U [V] I [ma] CV CC ,0 5,0 4,0 3, ZZ ,2 0,1 0,

11 19. Zmniejszając dalej R o wykonaj pomiary dla kolejnych wartości U lub R o z tab Wyłącz K (poz. 0). 21. Ustaw R o zadaną w tab Włącz K (poz. 1). 23. Zmieniaj R o do momentu uzyskania prądu o wartości I 2 z tab Zapisz R o2 w tab Wyłącz K, odczytaj i zapisz U 1 w tab Włącz K, odczytaj i zapisz U 2 i I 2 w tab Powtórz czynności jeszcze 4-krotnie. 28. Wyłącz K. Tab. 2. Wyniki pomiarów i obliczeń parametrów obciążeniowych zasilacza w trybie CV U ogr =7,0V; R o =9,0Ω; I ogr =700mA; I 2 =80% I ogr =560mA; R o2 =... Ω; U 1 [V] U 2 [V] wartości I 2 [ma] średnie: ΔU CV [mv] U K [V] ΔI CV [ma] R wcv [mω] k U [ - ] δ U [ - ] 3.3. Opracowanie wyników Wyniki obliczeń zapisz w jednostkach wskazanych w tablicach. 1. Odczytaj z tab.1 i zapisz wartość R ogr, równą rezystancji R o w ostatnim stanie trybu CV. 2. Sporządź wykresy charakterystyk wyjściowych zasilacza U=f(I) oraz obciążeniowych U=f(R) i I=f(R). 3. Oblicz i zapisz w tab.2 wartości: U U CV U 1 U 2 ; 1 U U 2 K ; I CV I2, (22) 2 oraz R wcv wg wzoru (14), k U wg wzoru 2U k ku (23) I R 2 wcv (otrzymanego z (15)po przyjęciu I K =½I 2 ) i δ U wg wzoru (16). 4. Na charakterystyce wyjściowej zasilacza otrzymanej w p.2, wybierz i zaznacz liniowy Tab. 3. Wyniki obliczeń parametrów obciążeniowych zasilacza w trybie CC I ogr [ma] 700 I 3 [ma] U 3 [V] I 4 [ma] U 4 [V] I L [ma] U L [V] ΔI CC [ma] ΔU CC [V] R wcc [Ω] k I [ - ] δ I [ - ] odcinek 3-4 trybu CC (analogicznie jak na rys.5). Korzystając z danych tab.1, odczytaj i zapisz w tab.3 współrzędne punktów 3 i 4 ( I 3, U 3, I 4, U 4 ). 5. Oblicz i zapisz w tab.3 wartości I L, U L, ΔI CC, ΔU CC stosownie do oznaczeń na rys.5 (punkt L jest środkiem odcinka 34), oraz R wcc, k I, δ I wg wzorów (18), (19) i (20) odpowiednio. 6. Wyciągnij wnioski z uzyskanych wyników: oceń otrzymane charakterystyki i parametry;

12 porównaj je z danymi katalogowymi tego zasilacza oraz innych występujących na rynku; oceń metody wyznaczania charakterystyk i parametrów zasilacza używane w ćwiczeniu. 4. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad. - Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. - Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. - Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego. - Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. - Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. - Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. - W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. - Wszelkie braki stwierdzone w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy zgłaszać prowadzącemu zajęcia. - Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia. - W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego. 5. Pytania i zadania kontrolne 1. Co to jest zasilacz stabilizowany? 2. Narysuj i omów charakterystyki wyjściowe zasilacza stabilizowanego idealnego i rzeczywistego. 3. Narysuj i omów charakterystyki obciążeniowe napięcia zasilacza stabilizowanego idealnego i rzeczywistego. 4. Narysuj i omów charakterystyki obciążeniowe prądu zasilacza stabilizowanego idealnego i rzeczywistego. 5. Metoda wyznaczania rezystancji wewnętrznych zasilacza. 6. Metoda wyznaczania obciążeniowych współczynników stabilizacji napięcia i prądu zasilacza. 7. Metoda wyznaczania obciążeniowych niestabilności napięcia i prądu zasilacza

13 Zad.1. (5 pkt.) Wyznacz rezystancję wewnętrzną zasilacza prądu stałego w trybie stabilizacji prądu o wartości I ogr =700mA. (Wskazówka: wartość I ogr ustaw przy rezystancji obciążenia R o =9Ω). Schemat układu pomiarowego: (0,5+0,5pkt.) Wyniki pomiarów bezpośrednich: (3 pkt.) Przyrządy (oznaczenie, nazwa, typ): Obliczenia rezystancji wewnętrznej: (1 pkt.) Zad.2. (6 pkt.) Wyznacz obciążeniowy współczynnik stabilizacji napięcia zasilacza prądu stałego przy napięciu 7V. Schemat układu pomiarowego: (0,5+0,5pkt.) Wyniki pomiarów bezpośrednich: (3 pkt.) Obliczenia współczynnika stabilizacji: (2 pkt.) Przyrządy (oznaczenie, nazwa, typ):

14 6. Literatura M03 Zasilacz stabilizowany [1] Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A. Metrologia elektryczna, Wyd.11, WNT, [2] Tumański S. Technika pomiarowa, WNT, [3] Bolkowski S. Teoria obwodów elektrycznych, Wyd.8, WNT, [4] Piotrowski R. Ćwiczenia laboratoryjne z metrologii, Wyd. Politechniki Białostockiej, Białystok,

15 Załącznik1. Karta katalogowa zasilaczy NDN serii DF17xx

16 - 16 -