STABILIZATOR NAPIĘCIA

Transkrypt

1 STABILIZATOR NAPIĘCIA Indywidualna Pracownia Elektroniczna Michał Dąbrowski asystent: Krzysztof Piasecki 16 XI Streszczenie Celem doświadczenia jest zapoznanie się z zasadą działania i wykonanie stabilizowanego zasilacza z zabezpieczeniem prądowym. Zmierzono zależność napięcie wyjściowego zasilacza w funkcji napięcia wejściowego. Zmianiając rezystancję opornicy dekadowej, dołączonej do wyjścia stabilizatora, zmierzono zależność napięcia wyjściowego w zależności od pobieranego prądu. Wykreślono otrzymane charakterystyki, wyznaczono zakres liniowości i współczynnik kierunkowy dopasowanej prostej. Wytłumaczono kształt zaobserwowanych charakterystyk. 2 Wstęp 2.1 Model teoretyczny Podstawową zaletą badanego wzmacniacza jest fakt, iż zabezpiecza on urządzenie wyjściowe przed nadmiernym podorem prądu ze stabilizatora. Eliminuje to uszkodzenia układów elektronicznych, wynikające ze zbyt wielkiego poboru prądu z obwodu stabilizatora napięcia. Schemat budowy takiego układu jest przedstawiony na rysunku 1. Wzmacniacz steruje rezystancją tranzystora. Przy niewielkim poborze prądu tranzystor T1 jest zablokowany. Gdy pobór prądu jest odpowiednio większy, następuje spadek napięcia około 0.7 V na rezystorze R ST. Tranzystor T2 przewodzi, blokując przepływ prądu przez tranzystor T1, gdy napięcie wyjściowe jest zbyt duże. W wyniku powyższego napięcie, które w rzeczywistości otrzymujemu na wyjściu układu, jest mniejsze od napięcia, które otrzymalibyśmy, stosując np. stabilizator napięcia ze wzmacniaczem błędu [2]. Duży pobór prądu powoduje wydzielanie się ciepła na tranzystorze T1, co pozwala nam kontrolować poprawność działania układu. Maksymalny prąd wyjściowy, który możemy otrzymać w skonstruowanym układzie wynosi: I MAX = (0.7V )/R ST. Pełny opis działania stabilizatora znajduje się w [2]. Rysunek 1: Schemat stabilizatora napięcia z ogranicznikiem prądowym. W badanym układzie wartość rezystancji opornika R ST = (20.9±0.3)Ω. Dokładny schemat budowy układu znajduje się w [1]. Oporniki R1 i R2 stanowią część dzielnika napięcia. 1

2 2.2 Opis układu doświadczalnego W celu przeprowadzienia doświadczenia zestaniowo układ składający się z generatora funkcji, zasilacza napięcia stałego, oscyloskopu TEKTRONIX[3], miernika BRYMEN[4] z woltomierzem oraz badanego obwodu. Schemat połączeń w układzie doświadczalnym przedstawia rysunek 3. Badano układ zasilacza ze wzmacniaczem operacyjnym µa723. przedstawiony na rysunku 2. Układ wykonano na uniwersalnej płytce drukowanej przygotowanej specjalnie do tego ćwiczenia, której schamt znajduje się w [1]. Napięcie wyjściowe oglądano na ekranie oscyloskopu. Wyprowadzenia użytego układu stabilizującego są przedstawione na rysunku 6. Do wykonania ćwiczenia użyto kondensatorów, w tym elektrolitycznych, oporników o rezystancji różniącej się około 5% od wartości nominalnych oraz tranzystora BC211. Rysunek 2: Układ wykorzystany podczas przeprowadzania pomiarów. Na rysunku zaznaczono połączenia generatora, oscyloskopu, zasilacza i badanego obwodu. Napięcie wytwarzane przz zasilacz kontrolowano za pomocą woltomierza. Wykorzystywany obwód prezentujuje rysunkek 2. Rysunek 3: Zasilacz stabilizowany 12 V z układem µa723. Na wejście podajemy napięcie z zasilacza. Na wyjściu otrzymujemy napięcie, które nie przekracza 12 V, niezależnie od sygnału na wejściu. Kalibracja układu potencjometrem P1, zmiana prądu obciążenia za pomocą opornicy dekadowej. 2

3 3 Wyniki pomiarów 3.1 Opis przebiegu ćwiczenia Po zbudowaniu układu przedstawionego na rysunku 2 i sprawdzeniu poprawności wszystkich połączeń, podano na jego wejście napięcie 18 V z zasilacza laboratoryjnrgo. Ustawiono potencjometr P1 w pozycji takiej, aby napięcie na wyjściu stabilizatora wynosiło 12 V, dokonując kalibracji układu. Następnie włączono na wyjście stabilizatora obciążenie 500 omów i mierzono napięcie wujściowe w funkcji napięcia wyjściowego, które zmianiało się w zakresie od 0V do 30 V. Otrzymaną charakterystykę, wraz z analizą zakresu liniowości, przedstawia rysunek 4. W kolejnym etapie pomiarów ustalono napięcie wejściowe na wartość 18 V i mierzono napięcie wyjściowe w funkcji pobieranego prądu. Zmiany prądu obciążenia uzyskiwano, zmieniając rezystancję opornicy dekadowej w zakresie od 0 do 1000 omów. Wyniki pomiarów wraz z dopasowaną prostą prezentuje rysunek Prezentacja wyników Rysunek 4: Napięcie na wyjściu stabilizatora w zależności od napięcia na wejściu. Widać, że zależność na początku jest liniowa (współczynnik proporcjonalności to: k = 0.83 ± 0.01). Od momentu, kiedy napięcie wejściowe przekroczy 14 V, napięcie wyjściowe stabilizuje się na poziomie 12 V. 3

4 Rysunek 5: Napięcie na wyjściu stabilizatora w zależności od natężenia pobieranego przez układ prądu. Współczynnik kierunkowy dopasowanej prostej y = ax + b to: a = ( 4.54 ± 0.13)V/mA. Widać, że układ stabilizuje napięcie dopóty, dopóki natężenie pobieranego prądu nie przekroczy 30 ma. 4 Dyskusja 4.1 Niepewności pomiarów Na niepewność wyników złożyło się wiele wyników. Tylko niektóre mogły zostać uzwględnione w obliczaniu błędów pomiarowych. Przede wszystkim na błąd miały wpływ niedokładności we wskazaniach miernika Brymen[4] oraz oscyloskopu Tektronix[3]. Związane z tym niepewności zostały obliczone zgodnie z materiałem zawartym w powyższych źródłach. Zakres napięć, do którego dopasowano zależność liniową, był wybrany dość arbitralnie, więc odrzucenie kilku poprzednich/kolejnych wartości zmieniającego się napięcia również mogło być czynnikiem ważnym z punktu widzenia przeprowadzonych pomiarów, choć wydaje się, że najmniej istotnym. Oporniki dostępne w zestawie miały rezstancję około 5 % różniącą się od wartości nominalnej podanej przez producenta, co również, choć w dużo mniejszym stopniu, mogło mieć wpływ na uzyskane wyniki. Podobnie niedokładności wynikające z lutowania obwodu, defekty połączeń między elementami, opór przewodów połączniowych, oraz warunki odbiegające nieznacznie od temperatury i wilgotności, do pracy w których były przystosowane badane diody. Obliczone błędy wielkości mierzonych zostały w każdym miejscu zasygnalizowane przy podawaniu wartości mierzonej wielkości fizycznej. 4.2 Dyskusja wyników W wyniku przeprowadzonego doświadczenia otrzymano charakterystyki prądowo-napięciowe dla stabilizatora z ogranicznikiem prądowym, przedstawione na rysunkach 4 oraz 5. Określono zakres liniowej pracy układu oraz zakres, w którym naspętowała stabilizacja. Działanie układu okazało się zgodne z oczekiwaniami, przewidzianymi przez teorię. Od momentu, kiedy napięcie wejściowe przekroczy 14 V, napięcie wyjściowe stabilizuje się na poziomie 12 V. Z rysunku 5 odczytujemy, że układ stabilizuje napięcie, jeśli natężenie prądu nie przekracza 30 ma. Maksymalny prąd wyjściowy, który udało się uzyskać podczas pracy w reżimie stabilizacji napięcia, wyniósł około 30 ma. Ze wzoru podanego we wstępie teoretycznym wiemy, że maksymalny prąd mogący wtedy popłynąć w obwodzie, jesli wartość rezystancji opornika to: R ST = (20.9 ± 0.3)Ω, wynosi: I MAX = (0.7V )/R ST = (33.49/pm0.43)mA, co jest wartością trochę większą od zmierzonej podczas wykonywania doświadczenia, jednak w pełni akceptowalną w 4

5 świetle użytej metody i otrzymanych błędów pomiarowych. Oznacza to, że skonstruowany układ działa poprawnie i może być wykorzystany do przyszłych zastosowań. Literatura [1] Instrukcja do ćwiczenia Analogowe układy scalone [2] wyklad stabilizator.pdf [3] Błąd pomiaru oscyloskopem TDS 1000 TEKTRONIX [4] Uniwersalny miernik BM805 firmy BRYMEN Rysunek 6: Wyprowadzenia monolitycznego układu ua 723. Zasada działania przedstawiona jest w [2]. Schemat blokowy układu znajduje się w [1]. 5