Rys Schemat parametrycznego stabilizatora napięcia

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 12 BADANIE STABILIZATORÓW NAPIĘCIA STAŁEGO CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania, budowy oraz podstawowych właściwości różnych typów stabilizatorów półprzewodnikowych oraz metod ich badania WPROWADZENIE Zadaniem stabilizatorów napięcia jest dostarczenie do obciążenia stabilizowanego napięcia, którego wartość w bardzo małym stopniu zależy od zmian napięcia zasilającego stabilizator, obciążenia i temperatury oraz innych czynników zewnętrznych (ciśnienia, wilgotności). Są to więc układy zbliżone właściwościami do idealnych źródeł napięcia. Ze względu na zasadę działania stabilizatory napięcia można podzielić na : - parametryczne, - kompensacyjne, - impulsowe. Cechą charakterystyczną wszystkich stabilizatorów parametrycznych jest brak zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego. Wykorzystuje się natomiast nieliniowe charakterystyki prądowo-napięciowe elementów użytych do ich budowy. Zmiana określonego parametru elementu stabilizującego przeciwdziała wówczas czynnikom destabilizującym. W stabilizatorach napięcia elementy stabilizujące są włączone równolegle z obciążeniem (Rys.12.1). Jako elementy stabilizujące stosuje się : diody Zenera, warystory, termistory. Jakość stabilizatorów parametrycznych jest niska i dlatego zastosowanie ich ogranicza się do przypadków o niezbyt wygórowanych wymaganiach. Rys Schemat parametrycznego stabilizatora napięcia Stabilizatory kompensacyjne zawierają następujące człony : - źródło napięcia odniesienia, - układ porównujący, - wzmacniacz sygnału błędu, - układ regulujący. Układ regulujący (najczęściej stanowi go odpowiedni tranzystor lub zestaw tranzystorów) może być połączony szeregowo lub równolegle z obciążeniem. Różnice napięcia odniesienia i napięcia proporcjonalnego do napięcia wyjściowego steruje układ regulacyjny przez wzmacniacz sygnału błędu. Parametry stabilizatora kompensacyjnego zależą od własności źródeł napięcia odniesienia i własności (przede wszystkim wzmocnienia napięciowego) wzmacniacza sygnału błędu. 1

2 W stabilizatorach impulsowych (nie będą one przedmiotem ćwiczenia) wykorzystuje się pracę tranzystora jako klucza. Klucz ten przełącza obciążenie do źródła zasilania przez układ całkujący. Regulując stosunek czasu zwarcia klucza do okresu powtarzania, można zmieniać wartość średnią impulsu. Zgodnie z podaną wcześniej definicją, stabilizator napięcia powinien być praktyczną realizacją idealnego źródła napięciowego. Parametry rzeczywistych stabilizatorów różnią się od parametrów źródeł idealnych. W przybliżeniu można przyjąć, że napięcie wyjściowe U wy stabilizatorów napięcia jest funkcją napięcia wejściowego U we, prądu wyjściowego (obciążenia) I wy i temperatury T. Wpływ napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe stabilizatorów napięcia ujmują charakterystyki przejściowe : U wy = f/ U we / przy I wy, T = const. (Rys.12.2a). Dla stabilizatorów idealnych charakterystyki te są prostymi równoległymi do osi odciętych w zakresie dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego. Zakres ten jest ograniczony wartością minimalną U wemin i wartością maksymalną U wemax napięcia wejściowego. Taki sam przebieg powinny mieć charakterystyki wyjściowe (obciążeniowe) idealnych stabilizatorów napięcia : U we = f/ I wy / przy U we, T = const. (Rys.12.2b). W stabilizatorach rzeczywistych charakterystyki te mają pewne nachylenie w stosunku do osi odciętych. Wtedy dla stabilizatorów napięcia maksymalnemu prądowi I wymax odpowiada napięcie U wyh, a prądowi minimalnemu I wymin - napięcie U wyl. Zmiany wielkości wyjściowych stabilizatorów napięcia, dla niewielkich zmian wymienionych czynników, mogą być opisane zależnością : Rys Charakterystyki stabilizatorów napięcia : a) charakterystyki przejściowe, b) charakterystyki wyjściowe (obciążeniowe), 1 - charakterystyki stabilizatora idealnego, 2 - charakterystyki stabilizatora rzeczywistego Poszczególne składniki we wzorze (12.1) nazywają się odpowiednio 2

3 / U wy / s, / U wy / o, / U wy / T - bezwzględne zmienności napięcia: wejściowa (sieciowa), wyjściowa (obciążeniowa), temperaturowa Oprócz wymienionych parametrów do ważnych wielkości charakteryzujących jakość stabilizatora należy współczynnik tętnień określony jako stosunek międzyszczytowej wartości napięcia tętnień na wyjściu U wyt do międzyszczytowej wartości napięcia tętnień na wejściu U wet. Stabilizatory napięcia w połączeniu z prostownikami i filtrami (zasilaczami sieciowymi) tworzą zasilacze stabilizowane BADANIA Przedmiotem badań mogą być różne typy stabilizatorów parametrycznych i kompensacyjnych o działaniu ciągłym. Na Rys.12.3 przedstawiono przykładowe schematy stabilizatorów parametrycznych możliwe do wykorzystania w badaniach. Są to schematy stabilizatorów napięcia z diodami Zenera, przy czym stabilizator z Rys. 12.3a jest stabilizatorem jednostopniowym, z Rys.12.3b - dwustopniowym, natomiast z Rys.12.3c stanowi tzw. układ mostkowy. Większa możliwość wyboru istnieje w grupie stabilizatorów kompensacyjnych. Stabilizatory te są bowiem wykonane różnymi technikami (dyskretną, hybrydową, scaloną). Zależnie od wymaganych parametrów i techniki wykonania mają one układy o różnym stopniu złożoności. Rys Schematy stabilizatorów parametrycznych napięcia z diodami stabilizacyjnymi 3

4 W najprostszym stabilizatorze kompensacyjnym jednostopniowym, tzw. stabilizatorze o wewnętrznym sprzężeniu zwrotnym - wtórnikowym, zbudowanym z elementów dyskretnych (Rys.12.4a), rolę układu porównującego i sterującego spełnia jeden tranzystor. Rolę źródła napięcia odniesienia spełnia dioda stabilizacyjna (dioda Zenera) z rezystorem R. Podobnie zbudowane jest źródło napięcia odniesienia w stabilizatorze dwustopniowym (Rys.12.4b). Układ regulacyjny tworzą tu tranzystory T1 i T2 pracujące w układzie super-alfa, natomiast tranzystor T3 spełnia rolę detektora i wzmacniacza sygnału odchyłki. Obciążenie wzmacniacza odchyłki stanowi rezystor R3. i Rys Schematy szeregowych kompensacyjnych stabilizatorów napięcia : a) wtórnikowego, b) tranzystorowego, c) ze stabilizatorem scalonym i zewnętrznymi tranzystorami regulacyjnymi Celowe jest badanie stabilizatorów scalonych. Większość tego typu stabilizatorów nie wymaga innego zasilania poza napięciem stabilizowanym. Umożliwiają one stabilizację napięcia zarówno o polaryzacji dodatniej, jak i ujemnej. Typowe wartości napięć wyjściowych zawierają się w zakresie ok ok. 35V. Przykładowy schemat układu połączeń powszechnie stosowanego stabilizatora typu SFC 2305 firmy Sescosem (LM 305 firmy National Semiconductor, MLM Motorola) z zewnętrznymi tranzystorami regulacyjnymi i ze zmniejszeniem prądu obciążenia przy zwarciu na wyjściu przedstawiono na Rys.12.4c. Wybór układów stabilizatorów do badania pozostawia się prowadzącemu ćwiczenie. Wydaje się przy tym za celowe, aby wybór ten zawierał przynajmniej po jednym ze stabilizatorów każdego typu. 4

5 Wyznaczanie podstawowych charakterystyk stabilizatorów napięcia Charakterystyki U wy = f/u we / przy I wy, T = const. i U wy = f/ I wy / przy U we, T=const stabilizatorów napięcia można wyznaczyć w układzie przedstawionym na Rys Do zasilania badanego stabilizatora służy zasilacz stabilizowany o regulowanym napięciu wyjściowym. Zakres zmian tego napięcia należy dobrać w zależności od zakresu napięcia wejściowego stabilizatora, natomiast maksymalny prąd obciążenia zasilacza powinien być większy od maksymalnego prądu obciążenia stabilizatora. Rys Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk stabilizatorów napięcia Do pomiaru napięcia wejściowego i wyjściowego służą woltomierze napięcia stałego V1 i V2. Zaleca się zastosowanie woltomierzy cyfrowych, przy czym wymaganą dokładność i rozdzielność woltomierza V2 można oszacować na podstawie przewidywanej zmienności obciążeniowej napięcia badanego stabilizatora. Na przykład, jeżeli zamienność ta wynosi 0.1%, to należy zastosować woltomierz klasy 0.02 (lub wyżej). Jednocześnie wykrycie takiej zmienności wymaga odczytu do czwartego miejsca dziesiętnego, a pomiar - co najmniej do miejsca piątego. Prąd wyjściowy regulowany rezystorem obciążającym R o mierzy amperomierz (miliamperomierz) prądu stałego. Przy wyznaczaniu charakterystyk U wy = f/u we / otrzymuje się wartość stałą tego prądu przy różnych wartościach napięcia wejściowego. Podczas wyznaczania charakterystyk U = f/i wy / utrzymuje się natomiast stałą wartość napięcia wejściowego. Przy wyznaczaniu charakterystyk stabilizatorów wyższej klasy często trudno jest dobrać woltomierz V2 o wymaganej dokładności i rozdzielczości. Stosuje się wtedy układy, w których pomiar napięcia wyjściowego jest dokonywany metodą różnicową (Rys.12.6), przy zastosowaniu pomocniczego zasilacza stabilizowanego wysokiej klasy. Rys Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk stabilizatorów napięcia z pomiarem napięcia wyjściowego metodą różnicową 5

6 W układzie tym napięcie wyjściowe badanego stabilizatora określa się na podstawie pomiaru różnicy tego napięcia i napięcia zasilacza pomocniczego. Różnicę tych napięć mierzy miliwoltomierz napięcia stałego mv. Napięcie wyjściowe Napięcie U R ma znak + dla U p >U wy oraz znak - dla U p <U wy. Zmienność sieciową (wejściową) i obciążeniową (wyjściową) napięcia stabilizatorów badanych najprościej można określić na podstawie wyznaczonych charakterystyk i definicji. Należy przy tym zwrócić uwagę, że bezwzględna zmienność sieciowa wyraża zmianę napięcia wyjściowego stabilizatora przy zmianach napięcia wejściowego. Wyznacza się zwykle dla zmian napięcia wejściowego równych 1V lub 10% / U we = 1V lub U we = 10%. Względną zmienność sieciową wyznacza się z zależności. Podobnie bezwzględna zmienność wyjściowa (obciążeniowa) jest zmianą napięcia wyjściowego przy zmianach obciążenia. Wyznacza się ją zwykle przy zmianach obciążenia od wartości minimalnej do wartości maksymalnej, a więc dla stabilizatorów napięcia I wymin...i wymax. Względną zmienność wyjściową określa się z zależności Sposób wyznaczania zmienności z wyznaczonych charakterystyk pokazano na Rys Wyznaczanie rezystancji i impedancji wyjściowej stabilizatorów Rezystancję wyjściową (wewnętrzną) R wy stabilizatora napięcia oblicza się na podstawie jej definicji, jako stosunek małego przyrostu napięcia wyjściowego U wy do przyrostu prądu wyjściowego I wy. Podstawę do obliczeń stanowią wyniki badań uzyskane przy wyznaczaniu charakterystyk U wy = f/ Iwy / i U wy = f/u we /. Impedancję wyjściową stabilizatora można wyznaczyć w układzie przedstawionym na Rys (układ ze stałą rezystancją obciążenia). Rys Schemat układu pomiarowego do wyznaczania impedancji wyjściowej stabilizatora W układzie tym woltomierze napięcia stałego V1 i V2 oraz amperomierz prądu stałego A służą do pomiaru składowych stałych napięć i prądu wyjściowego. Powinny 6

7 one spełniać wymagania identyczne jak przyrządy używane w poprzednich pomiarach. Źródłem napięcia zmiennego jest generator G napięć sinusoidalnych o regulowanej częstotliwości i amplitudzie napięcia wyjściowego ze wzmacniacza mocy. Amplituda ta powinna być przynajmniej dziesięciokrotnie mniejsza od napięcia stabilizowanego. Do pomiaru składowej zmiennej napięcia na wyjściu stabilizatora można zastosować oscyloskop elektroniczny. Kondensator C nie przepuszcza składowej stałej napięcia do wejścia generatora 1/ C << R, a rezystor R zabezpiecza wyjście generatora (wartość rezystora R w przybliżeniu powinna być równa rezystancji wyjściowej wzmacniacza mocy generatora). Moduł impedancji wyjściowej stabilizatora przy czym : U Zwy i U Zp - wartości szczytowe zmierzone oscyloskopem, odpowiednio w płożeniu 1 i 2 przełącznika p. Zmieniając amplitudą i częstotliwość napięcia generatora otrzymuje się charakterystyki Z wy = f/u wy~ / i Z wy = f/f/ Pomiar współczynnika tłumienia tętnień Pomiar współczynnika tłumienia tętnień można wykonać w układzie przedstawionym na Rys Rys Schemat układu pomiarowego do badania współczynnika tłumie tętnień nia Do pomiaru napięcia wejściowego i wyjściowego tętnień służy oscyloskop z wejściem AC o dużej czułości napięciowej. Stosuje się tu modelowanie napięcia tętnień przez włączenie szeregowo w obwód wejściowy badanego stabilizatora źródła składowej zmiennej (w przypadku zasilania stabilizatora badanego z zasilacza atabilizowanego, napięcie tętnień tego pierwszego będzie poniżej poziomu szumów własnych). Wystarczy w tym przypadku zmierzyć napięcie wejściowe tętnień U wet (położenie 2 przełącznika p) oraz napięcie wyjściowe tętnień U wyt (położenie 1 przełącznika p) i po podstawieniu do wzoru (12.2) obliczyć współczynnik tłumienia tętnień. W układzie przedstawionym na Rys.12.8 poza pomiarem współczynnika tłumienia tętnień dla różnych wartości parametrów stabilizatora badanego, jak U we, I wy, R o, możliwe jest wyznaczenie charakterystyki k tu = f ( f ). 7