ĆWICZENIE 4 BADANIE STABILIZATORÓW NAPIĘCIA STAŁEGO

ĆWICZENIE 4 BADANIE STABILIZATORÓW NAPIĘCIA STAŁEGO Cel ćwiczenia: zapoznanie z podstawowymi metodami stabilizacji napięcia stałego oraz porównanie parametrów i właściwości różnych układów stabilizacji. 4.1. Podstawy teoretyczne 4.1.1. Stabilizowane wtórne źródła zasilania Źródło zasilania jest jednym z podstawowych bloków każdego urządzenia elektronicznego. Pierwotne źródła zasilania, jakimi są np.: sieć przemysłowa prądu przemiennego (3 400/230V 50 Hz), elektrochemiczne źródła prądu (ogniwa pierwotne, akumulatory), baterie słoneczne i termoogniwa, nie są w stanie sprostać wszystkim wymaganiom stawianym źródłom zasilającym we współczesnych urządzeniach elektronicznych. Z tego też powodu, między źródłem energii (pierwotnym źródłem zasilania) a odbiornikiem stosuje się wtórne źródłami zasilania zwane zasilaczami. Schemat blokowy zasilacza prądu stałego zawierającego wszystkie z możliwych bloków funkcjonalnych przedstawia rys.4.1. Rys.4.1 Schemat blokowy zasilacza napięcia stałego

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 78 Podstawowymi zadaniami zasilaczy napięcia stałego są: przekształcenie napięcia zmiennego w napięcie stałe, oddzielenie galwaniczne zasilanych urządzeń od siebie oraz od obwodów pierwotnych źródeł zasilania, regulacja napięć wyjściowych w sposób ręczny lub automatyczny, zabezpieczenie pierwotnego źródła zasilania itp. Obok wymienionych zadań zasilacze powinny cechować się dużą niezawodnością i sprawnością. W związku z tym miniaturyzacja zasilaczy przy jednoczesnym zwiększeniu ich sprawności stanowi jedno z podstawowych zagadnień przy projektowaniu i ich konstrukcji. Jednym z podstawowych sposobów rozwiązywania tego zagadnienia jest zwiększenie częstotliwości przetwarzania energii elektrycznej w zasilaczach. Prowadzi to do znacznego zmniejszenia masy i gabarytów elementów magnetycznych (transformatorów i cewek filtrów) Jednym z elementów wtórnego źródła zasilania jest stabilizator, spełniający funkcję utrzymania napięcia na stałym poziomie, niezależnie od zmian napięcia zasilającego (wejściowego), prądu obciążenia, temperatury otoczenia i czasu U wy =const przy (U we, T, I wy, t)=var. (4.1) 4.1.2. Podstawowe parametry stabilizatorów napięcia stałego Poniżej przedstawiono podstawowe parametry stabilizatorów. Ponieważ nie ma jednoznacznych oznaczeń i definicji w tej dziedzinie - określonych przez normy - dlatego podano definicje i oznaczenia spotykane w literaturze i kartach katalogowych gotowych wyrobów. Wielu producentów zasilaczy (w tym również stabilizatorów) podaje tylko wybrane parametry swojego wyrobu i to często wg najkorzystniejszej definicji. Definiując parametry i oznaczenia w nawiasach podano oznaczenia alternatywne spotykane w literaturze lecz nie stosowane w dalszej części podręcznika: 1. Znamionowe napięcie wyjściowe (na obciążeniu) prądu stałego U wy, (U L, U o ) jest to napięcie, dla którego stabilizator zaprojektowano. 2. Znamionowe napięcie wejściowe prądu stałego U we, (U z, U i ) jest to napięcie, jakim należy zasilić stabilizator, aby uzyskać na wyjściu znamionowe napięcie wyjściowe. 3. Zakres zmian napięcia wejściowego określający minimalną i maksymalną wartość napięcia wejściowego stabilizatora. Napięcie minimalne jest to wartość napięcia, przy której stabilizator uzyskuje zdolność stabilizowania napięcia na poziomie U wys. Napięcie

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 79 maksymalne jest to wartość napięcia, powyżej której stabilizator nie może pracować poprawnie (rys.4.2). Rys.4.2 Zależność napięcia wyjściowego U wy od zmian napięcia wejściowego U we 4. Różnica napięcia wejście-wyjście, określona jako minimalna i maksymalna różnica między niestabilizowanym napięciem wejściowym U we a stabilizowanym napięciem wyjściowym U wy. Minimalna wartość różnicy napięć określa minimalny spadek napięcia na elemencie regulacyjnym niezbędny do rozpoczęcia stabilizacji. Maksymalna wartość różnicy zależy od parametrów zastosowanych elementów. 5. Znamionowy prąd wyjściowy I wy (I L, I o ) jest to maksymalna wartość prądu, jakim można obciążyć stabilizator w warunkach normalnych przy założeniu, że nie przekracza się jego dopuszczalnej mocy. 6. Prąd wyjściowy maksymalny, jest to prąd, przy którym rozpoczyna się działanie układu nadprądowego zabezpieczenia stabilizatora I wym (w stabilizatorach kompensacyjnych). 7. Napięcie tętnień jest to największa międzyszczytowa wartość składowej napięcia wyjściowego, której częstotliwość jest wielokrotnością częstotliwości napięcia zasilającego i częstotliwości przełączania generowanej przez zasilacz. 8. Współczynnik pulsacji (tętnień) napięcia wyjściowego stabilizatora k p, definiowany jako stosunek amplitudy składowej zmiennej napięcia wyjściowego Uz m do wartości średniej napięcia wyjściowego U 0wy przy (U 0we, I wy, T =const). k p U zm =. (4.2) U 0wy 79

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 80 9. Współczynnik tłumienia tętnień K t określa zdolność stabilizatora do zmniejszania składowej zmiennej napięcia na wyjściu U zwy w stosunku do jej wartości na wejściu U zwe i wyraża się stosunkiem współczynnika tętnień na wejściu stabilizatora do współczynnika tętnień na jego wyjściu (przy stałych I wy =const, U we = const, T=const) k p K we t =. (4.3) k 10. Współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego przy zmianach napięcia wejściowego zwany też stabilnością wejściową jest wskaźnikiem oddziaływania zmian napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe, przy niezmiennym obciążeniu i temperaturze. S p wy ΔU 0we U =, (4.4) ΔU0wy gdzie: U 0we, U 0wy - wartość średnia napięcia na wejściu i wyjściu stabilizatora lub w mierze względnej S U % ΔU0we ΔU0we[%] U = = 0Nwe, (4.5) ΔU0wy[%] ΔU0wy U 0Nwy gdzie: ΔU 0wy - zmiana napięcia wyjściowego przy zmianie napięcia wejściowego U 0we, od minimum do maksimum (tzn. o ΔU 0we ), U 0Nwy - nominalne napięcie wyjściowe (wartość średnia), U 0Nwe - nominalne napięcie wejściowe (wartość średnia). Z punktu widzenia zasilanego urządzenia ważne jest, aby niestabilność napięcia wyjściowego U wy stabilizatora od powodujących ją czynników była jak najmniejsza. Czasem zamiast współczynnika stabilizacji określa się niestabilność napięcia wyjściowego przy zmianie napięcia zasilania. Definiuje się ją jako zmianę napięcia wyjściowego ±ΔU 0wy podawaną w [mv] lub [%] napięcia wyjściowego nominalnego U 0wy, przy zmianie napięcia wejściowego w ustalonych granicach ±ΔU 0we. Niestabilność napięcia wyjściowego podaje się dla zmian napięcia wejściowego o ±10%, o 1V lub dla całego zakresu dopuszczalnego zmian napięcia wejściowego ( ± U0wy ) U δu 0( U ) = 100 %. (4.6) U 0wy

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 81 11. Współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego przy zmianach prądu obciążenia zwany też stabilnością obciążenia rozumiany jako zmiana stabilizowanego napięcia wyjściowego wywołana określoną zmianą prądu wyjściowego I wy (obciążenia) przy stałej temperaturze i napięciu wejściowym. S I ΔI0wy =, (4.7) ΔU 0wy lub w mierze względnej SI % ΔI0wy[%] = ΔU0wy[%] ΔI0wy I0Nwy ΔU0wy U0Nwy = (4.8) gdzie: ΔU 0wy - zmiana napięcia wyjściowego przy zmianie prądu obciążenia I 0wy od minimum do maksimum (tzn. o ΔI 0wy ), U 0Nwy - nominalne napięcie wyjściowe (wartość średnia), I 0Nwy - nominalny prąd obciążenia (wartość średnia). Często zamiast stabilności obciążenia podaje się jako parametr równoważny rezystancję wyjściową R wy dla prądu stałego zdefiniowaną jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego ΔU 0wy do wywołującego tę zmianę przyrostu prądu obciążenia ΔI 0wy przy U 0we =const i T=const R wy ΔU0wy =. (4.9) ΔI Innym parametrem, zamiast stabilności obciążenia, określającym wpływ prądu obciążenia na napięcie stabilizowane jest niestabilność napięcia wyjściowego przy zmianach prądu obciążenia. Określa się ją jako zmianę napięcia wyjściowego, odpowiadająca zmianie prądu obciążenia najczęściej od wartości minimalnej do wartości nominalnej lub dla zmiany prądu w określonych granicach i jest podawana w [mv] lub [%] napięcia wyjściowego 0wy ( ± U0wy ) I δu 0( I ) = 100 %. (4.10) U 12. Stabilność statystyczna pełna określa wpływ równoczesnego działania wszystkich czynników destabilizujących. Stabilizowane napięcie wyjściowe zależy od czterech 0wy 81

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 82 określonych zmiennych niezależnych U wy = f(i wy, U we, T, t) i dlatego stabilność pełna jest sumą stabilności cząstkowych du wy U wy U wy U wy U wy = di wy + du we + dt + dt. (4.11) I U T t wy we Z energetycznego punktu widzenia ważne jest, aby stabilizator przekazywał energię z wejścia na wyjście przy możliwie małych stratach. Skuteczność tego procesu określa sprawność mocy stabilizatora, będąca stosunkiem mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Moc wejściowa jest równa sumie mocy wyjściowej i mocy strat w stabilizatorze. P η = P wy we Pwy = P + P wy str 100% (4.12) 4.1.3. Metody stabilizacji napięcia stałego Stabilizowane napięcie do zasilania urządzeń elektronicznych można uzyskać za pomocą stabilizatorów napięcia stałego przetwarzających niestabilizowane napięcie stałe na napięcie stałe stabilizowane. Wśród wielu podziałów różniących się rodzajem przyjętego kryterium (rys.4.3), istnieje podział z punktu widzenia sprzężenia zwrotnego na: stabilizatory bez sprzężenia zwrotnego (parametryczne), stabilizatory z jednym lub kilkoma obwodami sprzężenia zwrotnego kompensacyjne). Ze względu na sposób pracy elementu regulacyjnego stabilizatory kompensacyjne można podzielić na: stabilizatory o działaniu ciągłym, stabilizatory o działaniu impulsowym, stabilizatory kombinowane (impulsowo-ciągłe).

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 83 Rys. 4.3. Podział stabilizatorów napięcia Z kolei stabilizatory kompensacyjne o działaniu ciągłym ze względu na sposób włączenia elementu regulacyjnego w stosunku do obciążenia dzielimy na: stabilizatory szeregowe (element regulacyjny włączony szeregowo z obciążeniem), stabilizatory równoległe (element regulacyjny włączony równolegle do obciążenia). W tym miejscu należy wspomnieć, że również stabilizator parametryczny zaliczany jest do stabilizatorów o regulacji ciągłej, choć nie jest to stabilizator kompensacyjny. Stabilizatory impulsowe są układami zawierającymi przetwornice tranzystorowe i są wyposażone w układ sprzężenia zwrotnego. Stabilizatory te ze względu na układ występującej w nich przetwornicy dzielimy na: stabilizatory dławikowe, stabilizatory transformatorowe. Ze względu na sposób sterowania elementu wykonawczego stabilizatora impulsowego można wyróżnić: stabilizatory samowzbudne o regulacji dwupołożeniowej, stabilizatory o ciągłej regulacji współczynnika wypełnienia impulsu. 83

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 84 4.1.3.1. Parametryczny stabilizator napięcia Stabilizacja parametryczna polega na takiej samoistnej zmianie parametrów układu, pod wpływem zmian napięcia lub prądu, że wielkość stabilizowana na wyjściu układu zmienia się tylko w granicach dopuszczalnych. W parametrycznych stabilizatorach napięcia, stabilizacja napięcia stałego jest realizowana za pomocą elementów o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej takich jak np: diody Zenera, warystory, termistory, dławiki nasyconepołączonych szeregowo lub równolegle z obciążeniem. Podstawowy układ parametrycznego stabilizatora napięcia na diodzie Zenera przedstawia rys. 4.4 a) b) Rys.4.4. Parametryczny stabilizator napięcia a) układ podstawowy b) charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera (Dz element nieliniowy, R rezystor, Ro obciążenie) Dioda Zenera włączona zaporowo może pracować jako stabilizator napięcia dopiero po przekroczeniu pewnego napięcia progowego zwanego napięciem Zenera U BR. Wartość tego napięcia ustalana jest w procesie produkcji diody na poziomie od kilku aż do kilkudziesięciu woltów. Stabilizacja parametryczna będąca przykładem stabilizacji ciągłej, realizowana jest w zakresie liniowej części charakterystyki elementu nieliniowego, jakim jest dioda Zenera rys. 4.4b. Stabilizator parametryczny pracuje poprawnie w zakresie określonym przez minimalny i maksymalny prąd stabilizacji I z elementu nieliniowego. Działanie stabilizatora polega na tym, że do chwili osiągnięcia przez napięcie na obciążeniu wartości U BR prąd w diodzie Zenera jest bardzo mały. Po osiągnięciu przez napięcie wartości progowej prąd w diodzie gwałtownie rośnie, powodując także gwałtowny

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 85 wzrost prądu wypadkowego płynącego przez rezystor R a tym samym i spadku napięcia na nim. W konsekwencji działanie takie kompensuje przyrost napięcia wejściowego i utrzymuje napięcie na obciążeniu na poziomie prawie stałym, mimo dalszego zwiększania napięcia wejściowego. Podobnie i zmiana prądu obciążenia I wy kompensowana jest przez element nieliniowy. Przykładowy proces samoregulacji stabilizatora parametrycznego w tym przypadku wygląda następująco: w przypadku wzrostu prądu obciążenia I wy w pierwszej chwili zwiększy się również prąd wypadkowy pobierany ze źródła, zmniejszy to napięcie wyjściowe U wy gdyż wzrośnie spadek napięcia na R, spadek napięcia na obciążeniu spowoduje również spadek napięcia na Dz, to z kolei zmniejszy prąd I z, zmniejszenie prądu I z spowoduje zmniejszenie prądu wypadkowego i zmniejszenie spadku napięcia na rezystorze R a w konsekwencji utrzymanie napięcia wyjściowego U wy na prawie niezmienionym poziomie. Stabilizator parametryczny pracuje poprawnie w zakresie określonym przez minimalny i maksymalny prąd stabilizacji elementu nieliniowego, odpowiednio I zmin i I zmax. Minimalny prąd stabilizacji określa punkt załamania charakterystyki prądowo-napięciowej (w przypadku diody Zenera jest to tzw. napięcie Zenera) a prąd maksymalny zależy od mocy rozpraszanej przez element stabilizujący. Aby zapewnić poprawną pracę stabilizatora zarówno przy zwiększaniu jak i zmniejszaniu napięcia wejściowego i prądu obciążenia, należy punkt pracy elementu nieliniowego wybrać na środku pomiędzy I zmin i I zmax. Jeżeli stabilizator pracuje bez obciążenia wtedy cały prąd układu występuje również w elemencie nieliniowym, dlatego moc strat elementu stabilizującego musi być odpowiednia. Spośród wielu parametrów diod stabilizacyjnych, jakie możemy znaleźć w katalogach najistotniejszymi są: znamionowe napięcie stabilizacji U zn podawane przy znamionowym prądzie I zn i określonej temperaturze otoczenia (na ogół 25 C). Tolerancja wynikająca z rozrzutu fabrycznego wynosi zazwyczaj ±5 lub ±10 % wartości U zn, rezystancja dynamiczna r z nazywana też rezystancją Zenera określana jako stosunek przyrostu napięcia przy określonej zmianie prądu r ΔU z z =, (4.13) ΔI z 85

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 86 moc strat P str jest to maksymalna moc, jaką dioda może oddać do otoczenia bez niebezpieczeństwa jej uszkodzenia, współczynnik temperaturowy zmiany napięcia Zenera TKU z wyrażony jako stosunek przyrostu napięcia Zenera w mv na jeden C (mv/ C). Rezystancja dynamiczna elementu stabilizacyjnego powinna być jak najmniejsza, ponieważ decyduje ona o nachyleniu charakterystyki diody w obszarze stabilizacji. W diodach Zenera rezystancja dynamiczna r z a przez to i napięcie stabilizacji U zn silnie zależą od temperatury. Termiczny współczynnik zmiany rezystancji dynamicznej wynosi ok. 0,3 %/ C. Rezystancja dynamiczna diody stabilizacyjnej w warunkach statycznych zależna jest od napięcia stabilizacji (rys. 4.5b), co wiąże się z technologią jej wykonania. Podobnie termiczny współczynnik zmiany napięcia stabilizacji zależy od napięcia, co uwidoczniono na rys.4.5a. Należy dodać, że współczynnik termiczny nie jest stały dla danej diody, zależy on również od aktualnego prądu w diodzie oraz temperatury (rys.4.5b). a) b) Rys. 4.5. Wpływ napięcia stabilizacji na a) współczynnik termiczny zmian napięcia diody; b) rezystancję dynamiczną ( przy różnych prądach płynących przez diodę) Schemat zastępczy parametrycznego stabilizatora napięcia z diodą Zenera przedstawia rys.4.6. Napięcie wyjściowe U wy układu można określić na podstawie schematu zastępczego z zależności Uwy = (4.14) Uz N + ΔUw + ΔT TKUz + ΔIz rz + ΔUdt gdzie: U zn - znamionowa wartość napięcia stabilizacji, ΔU w - odchylenie napięcia stabilizacji od wartości znamionowej powstałe przy produkcji diody, ΔT- odchylenie temperatury otoczenia diody od znamionowej (25 C), TKU Z - współczynnik temperaturowy zmian napięcia Zenera,

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 87 ΔI z - odchylenie prądu diody od wartości znamionowej, ΔU dt - długoczasowa zmiana napięcia (powodowana np: procesem starzenia...) Rys.4.6 Schemat zastępczy parametrycznego stabilizatora napięcia z diodą Zenera Pomijając wpływ zmian temperaturowych i długoczasowych napięcie wyjściowe U wy wynosi zaś zmiana napięcia wyjściowego jest równa U wy = U + I r, (4.15) wy zn zn z z Δ U = U + ΔI r. (4.16) Uwzględniając powyższe założenia napięcie wejściowe stabilizatora można określić z zależności U we z wy z z = ( I + I ) R + U + I r (4.17) zn z z Chcąc zaprojektować stabilizator parametryczny na określoną wartość napięcia wyjściowe U wy i prąd obciążenia I wy należy dobrać odpowiednie napięcie zasilające U we oraz rezystor ograniczający R. W prawidłowo zaprojektowanym stabilizatorze napięcie zasilające powinno wynosić U wen = ( 2 5) U. (4.18) Dokładne zależności na określenie tych wielkości są skomplikowane i trudne do wyprowadzenia. Dla celów praktycznych można skorzystać z zależności uproszczonej wynikającej z założenia, iż skrajnym przypadkiem dla stabilizatora jest stan jałowy. Przy nieobciążonym wyjściu cały prąd układu przejmuje dioda Zenera, dlatego rezystor ograniczający R powinien mieć taką wartość aby prąd I z nie przekroczył wartości zn 87

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 88 dopuszczalnego prądu diody I zmax. W tym przypadku wartość rezystancji R można obliczyć z zależności R U U we z =. (4.19) I Z max Prąd I z diody Zenera zależy od prądu obciążenia i napięcia zasilającego. Maksymalny prąd diody I zmax jest określony przez wytwórcę. Jeżeli nie jest podany bezpośrednio, to należy go wyznaczyć ze wzoru P I z = max U str z N. (4.20) gdzie: P str - maksymalna moc strat diody odczytana z katalogu. Współczynnik stabilizacji napięcia S U stabilizatora parametrycznego obliczony wg. zależności (4.5) wynosi na ogół 50 150. Chcąc zwiększyć współczynnik stabilizacji należy zastosować układ kaskadowy, tzn. szeregowo połączyć dwa (lub więcej) stabilizatory parametryczne. Napięcie wyjściowe danego układu będzie napięciem wejściowym układu następnego, a wypadkowy współczynnik stabilizacji będzie iloczynem współczynników poszczególnych stopni. Do zalet stabilizatorów parametrycznych należy zaliczyć, małe wymiary i masę, prostą konstrukcję i dużą niezawodność. Wadami tego rodzaju stabilizacji są stosunkowo mała wartość współczynnika stabilizacji napięcia wyjściowego, niewielka moc wyjściowa, mała sprawność i brak możliwości dokładnego zadania napięcia wyjściowego. Zastosowanie prostych układów stabilizacji parametrycznej jest ograniczone również możliwością uzyskania stosunkowo niewielkiej mocy na wyjściu. Wynika to bezpośrednio z zasady działania powyższych układów, mianowicie z faktu, iż wahania napięcia wejściowego i zmiany prądu obciążenia muszą być skompensowane zmianami prądu w diodzie Zenera. Zastosowanie wtórnika emiterowego w układzie jak na rys.4.7 umożliwia zwiększenie prądu wyjściowego, pogarszając tylko w niewielkim stopniu współczynnik stabilizacji całego układu. Napięcie wyjściowe układu równe jest napięciu U zn na diodzie pomniejszonemu o spadek napięcia U BE na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu baza-emiter tranzystora T. Spadek napięcia na przewodzącym złączu baza-emiter wynosi ok. 0,6 V i niewiele zmienia się przy zmianie napięcia wejściowego i prądu obciążenia (co wynika z charakterystyki U BE =f (I B ) B tranzystora). U wy = U U (4.21) zn BE

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 89 Rys.. 4.7. Parametryczny stabilizator napięcia z wtórnikiem emiterowym Kondensator w układzie zastosowany jest dla tłumienia zakłóceń wysokiej częstotliwości, których źródłem może być dioda Zenera, szczególnie o wyższych napięciach stabilizacji. 4.1.3.2. Stabilizatory kompensacyjny o pracy ciągłej Kompensacyjny stabilizator napięcia stanowi układ automatycznej regulacji z zamkniętą pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Moc wyjściowa i sprawność tych stabilizatorów jest znacznie większa niż stabilizatorów parametrycznych. Stabilizatory kompensacyjne jednak odznaczają się bardziej skomplikowaną budową, większą masą i rozmiarami. Stabilizatory o regulacji ciągłej bywają też nazywane stabilizatorami o działaniu analogowym. W zależności od sposobu włączenia elementu regulacyjnego (wykonawczego) w układzie stabilizatora, rozróżniamy stabilizatory szeregowe (element regulacyjny włączony szeregowo z obciążeniem) i równoległe (element regulacyjny włączony równolegle z obciążeniem). Najbardziej rozpowszechnionymi z punktu widzenia sposobu włączenia elementu regulacyjnego są układy szeregowe, dlatego zasadę stabilizacji ciągłej rozpatrzymy na przykładzie takiego właśnie układu, którego schemat blokowy przedstawiono na rys.4.8. Stabilizatory kompensacyjne o działaniu ciągłym zawierają element regulacyjny, którego rezystancja zależy od poziomu sygnału doprowadzonego z układu sterowania. Najczęściej rolę tego elementu pełni tranzystor w układzie OE sterowany prądem bazy. W obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego zachodzi porównanie w komparatorze (części lub 89

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 90 całości) napięcia wyjściowego stabilizatora pobieranego z członu pomiarowego (będącego najczęściej dzielnikiem rezystorowym) z napięciem źródła wzorcowego (referencyjnego). Rys. 4.8. Schemat blokowy stabilizatora o regulacji ciągłej Sygnał błędu pojawiający się na wyjściu układu porównującego po wzmocnieniu przechodzi do układu sterowania. Układ ten oddziałuje na element regulacyjny stabilizatora w ten sposób, że zachodzi kompensacja zaistniałej zmiany napięcia wyjściowego spowodowanej zmianą napięcia wejściowego lub obciążenia. Przy pracy ciągłej, regulowany sygnałem sterującym prąd bazy tranzystora wpływa na zmianę rezystancji złącza CE tranzystora. W efekcie element regulacyjny stabilizatora, pracuje jak rezystancja o regulowanej wartości. Na elemencie tym występuje spadek napięcia a więc również i mocy co powoduje wydzielanie ciepła i konieczność zastosowania radiatorów do jego odprowadzania. Taki rodzaj pracy cechuje się małą sprawnością układu rzędu (30-50 %) a zastosowanie radiatorów zwiększa masę i gabaryty stabilizatora. Stabilizatory o pracy ciągłej zasilane są z sieci prądu przemiennego przez duży i ciężki transformator sieciowy (50 Hz), co dodatkowo nie sprzyja wymaganiom współczesnych technologii produkcji związanych z miniaturyzacją. Regulacja ciągła napięcia ma jednak wiele zalet, dzięki którym jest ona szeroko stosowana, a mianowicie: stosunkowo prosty układ w porównaniu z układem regulacji impulsowej, najniższy ze wszystkich typów stabilizacji poziom zakłóceń i tętnień napięcia wyjściowego, duża szybkość działania. Stabilizatory kompensacyjne o regulacji ciągłej mogą być budowane jako: układy tranzystorowe (wieloelementowe),

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 91 układy zawierające uniwersalny scalony regulator napięcia z ustalonym przez elementy zewnętrzne lub sposób połączenia napięciem wyjściowym, układy zawierające monolityczny stabilizator na określone przez producenta wartość napięcia wyjściowego. Na rysunku 4.9 przedstawiono stabilizator wykonany w oparciu o uniwersalny scalony regulator napięcia μa 723. Rys.4.9 Kompensacyjny stabilizator napięcia na układzie μa 723 Regulator μa 723 zawiera w jednej strukturze krzemowej wewnętrzne źródło napięcia odniesienia (nóżka 5), wzmacniacz błędu (nóżki 4,6,13), wyjściowy tranzystor regulacyjny o wydajności prądowej 20 150 ma (nóżki 10,11,13), elementy zabezpieczenia nadprądowego (nóżki 2,3,13), diodę zabezpieczającą (nóżki 9,10). Źródło napięcia odniesienia tworzy dioda Zenera skompensowana termicznie i zasilana ze źródła stałoprądowego. Napięcie wyjściowe źródła napięcia odniesienia wynosi 7,15 V ( na wyj. U ref ) a wydajność prądowa 15 ma. Wzmacniacz błędu jest wzmacniaczem różnicowym zbudowanym z tranzystorów, na wejścia którego podawane są napięcie odniesienia WE+ (całe lub część) i napięcie wyjściowe WE (całe lub część). Stopień wyjściowy regulacji mocy tworzy tranzystorowy układ Darlingtona składający się z tranzystora sterującego i wyjściowego T1. 91

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 92 Tranzystor zabezpieczenia nadprądowego przy odpowiednim wysterowaniu powoduje ograniczenie prądu bazy tranzystora sterującego w układzie Darlingtona. Dodatkowa dioda Zenera w pewnych zastosowaniach może zabezpieczać wyjście układu przed pojawieniem się zbyt dużego napięcia. Charakterystyczną cechą wszystkich scalonych uniwersalnych regulatorów napięcia jest to, że mają one wyprowadzone na zewnątrz istotne punkty obwodu, co umożliwia użytkownikowi budowę różnych układów stabilizujących o różnych napięciach. W oparciu o omawiany regulator można budować stabilizatory napięcia od 2 do 37 V. Napięcie wejściowe układu nie może być mniejsze od 9,5V i większe od 40 V, przy warunku iż różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym zawarta będzie w granicach 3 38V. Jeżeli chcemy zbudować stabilizator o prądzie wyjściowym większym od 150 ma to należy zastosować zewnętrzny tranzystor mocy, w omawianym układzie jest tranzystor BD 647. Zewnętrzny kondensator C stanowi element kompensacji częstotliwościowej układu. Ponieważ prezentowany stabilizator ma napięcie wyjściowe większe od napięcia odniesienia U ref, więc do wzmacniacza błędu doprowadzana jest tylko część napięcia wyjściowego i całe napięcie odniesienia. W przypadku, gdy napięcie wyjściowe zawiera się w granicach 2 7V, wówczas sytuacja jest odwrotna, tzn. całe napięcie wyjściowe podawane jest do wzmacniacza błędu natomiast napięcie odniesienia jest dzielone przez dzielnik rezystorowy. Rezystor R sc polaryzuje złącze baza-emiter tranzystora nadprądowego. Jego wartość jest tak dobrana, aby przy maksymalnym prądzie wyjściowym spadek napięcia na nim wynosił ok. 0,6 V. Zabezpieczenie prądowe w omawianym układzie jest układem z ograniczeniem prądu rys.4.15 charakterystyka a. Regulatory tej klasy, co układ μa723 umożliwiają nie tylko budowę stabilizatorów napięć dodatnich, ale także napięć ujemnych oraz dławikowych stabilizatorów impulsowych. Przykład stabilizatora o takich samych parametrach jak poprzednio, lecz wykonanego w oparciu o monolityczny stabilizator napięcia LM 7812 z ustalonym w czasie produkcji napięciem wyjściowym przedstawiono na rys.4.10. Rys.4.10 Kompensacyjny stabilizator napięcia na układzie LM 7812

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 93 Jest to układ trójkońcówkowy (wejście-masa-wyjście). Wewnętrzna struktura takiego układu scalonego jest identyczna ze strukturą regulatora. Stabilizator taki nie potrzebuje żadnych elementów zewnętrznych oprócz kondensatorów filtrujących. Obecnie produkowane są stabilizatory na napięcia dodatnie i ujemne o wartościach 3,3; 5; 6; 8; 9; 12; 15; 18; 24 i wydajności prądowej od 0,5 do 3A w zależności od typu obudowy. Zabezpieczenie prądowe w tym układzie ma przebieg jak charakterystyka b na rys.4.15. 4.1.3.3. Stabilizator kompensacyjny o regulacji impulsowej Stabilizatory impulsowe w zależności od rodzaju zastosowanego elementu gromadzącego energię w polu magnetycznym dzielimy na: stabilizatory dławikowe, stabilizatory transformatorowe (przetwornice stabilizowane). Stabilizatory transformatorowe są układami, w których stosuje się transformatory wysokiej częstotliwości najczęściej o rdzeniu ferrytowym. W układzie zasilania wykorzystującym stabilizator transformatorowy napięcie źródła pierwotnego ( 230V/50Hz) jest prostowane, filtrowane a następnie poprzez impulsator podawane na uzwojenie pierwotne transformatora w.cz. Napięcie z uzwojenia wtórnego przetransformowane z odpowiednią przekładnią jest następnie prostowane i filtrowane w celu uzyskania napięcia stałego. Stabilizatory dławikowe pracują najczęściej w układzie zasilania z konwencjonalnym prostownikiem zawierającym transformator 50 Hz jak na rys. 4.11. W zależności od miejsca usytuowania dławika w układzie stabilizatora może on być: stabilizatorem obniżającym napięcie, stabilizatorem podwyższającym napięcie, stabilizatorem odwracającym polaryzację napięcia. Idea stabilizacji impulsowej, zostanie wyjaśniona na przykładzie stabilizatora obniżającego napięcie z szeregowo włączonym dławikiem. 93

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 94 Rys.4.11 Stabilizator impulsowy a) schemat blokowy układu, b) przebieg napięcia na wyjściu elementu regulacyjnego Kompensacyjne stabilizatory napięcia o regulacji impulsowej do regulacji napięcia wykorzystują element regulacyjny pracujący (dyskretnie) w dwóch skrajnych stanach ustalonych: w stanie zwarcia i rozwarcia. W stanie zwarcia prąd płynący przez element regulacyjny jest duży, ale za to napięcie na nim panujące jest małe, natomiast przy rozwarciu odwrotnie. Tylko w stanie nieustalonym tj. w trakcie przełączania zarówno napięcie jak i prąd są znaczne, ale czas trwania tego stanu jest bardzo krótki, a tym samym i straty energii niewielkie. Z tych właśnie powodów element regulacyjny (np: tranzystor) musi mieć dobre parametry dynamiczne (krótki czas przełączania). Praca impulsowa elementu regulacyjnego stabilizatora daje możliwość znacznego zmniejszenia mocy traconej, a tym samym zwiększenia sprawności układu. W zależności od sposobu sterowania elementu regulacyjnego można wyróżnić układy z regulacją: czasu trwania t i stanu zamknięcia lub otwarcia elementu regulacyjnego (regulacja współczynnika wypełnienia PWM),

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 95 częstotliwości powtarzania impulsów sterujących, fazy impulsów sterujących, amplitudy impulsów sterujących, kilku parametrów jednocześnie. Napięcie z wyjścia prostownika lub filtru prostowniczego jest przekształcane za pomocą elementu regulacyjnego w ciąg impulsów prostokątnych o dużej częstotliwości (rys.4.11). Filtr wygładzający LC zmniejsza udział składowej zmiennej w napięciu prostokątnym przez eliminację kolejnych składowych harmonicznych o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości impulsowania. Po przejściu przez filtr wygładzający i ograniczeniu składowej zmiennej rośnie udział składowej stałej w napięciu wyjściowym stabilizatora. Obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego oddziałuje na element regulacyjny w ten sposób, że wartość średnia napięcia wyjściowego U 0wy nie ulega zmianie. Napięcie z wyjścia lub jego część (analogicznie jak w stabilizatorze kompensacyjnym o działaniu ciągłym) porównywane jest z napięciem wzorcowym (odniesienia) a sygnał błędu po wzmocnieniu podawany jest na układ sterujący tranzystora regulacyjnego. Istota stabilizacji napięcia wyjściowego polega najczęściej na zmianie współczynnika wypełnienia impulsów a więc na zmianie średniej wartości napięcia wyjściowego. Przekształcenie napięcia wejściowego w ciąg impulsów prostokątnych odbywa się przy udziale generatora, który określa stałą częstotliwość impulsowania. O takich stabilizatorach mówimy, że są sterowane zewnętrznie w sposób płynny przez zmianę współczynnika wypełnienia impulsów. Stabilizator impulsowy może pracować także bez tego generatora w przypadku wykorzystania drgań własnych układu. O takim układzie mówimy, że jest to układ samowzbudny o regulacji dwupołożeniowej (przekaźnikowy). W przypadku sterowania zewnętrznego częstotliwość powtarzania impulsów na wyjściu elementu regulacyjnego jest stała, natomiast w układach samowzbudnych zależy od napięcia zasilającego oraz od pracy elementu przekaźnikowego (zamiast elementu porównującego), porównującego napięcie wyjściowe z napięciem wzorcowym. Samowzbudne stabilizatory napięcia cechują się szybszym działaniem, jednak z powodu zmieniającej się częstotliwości przełączania utrudniony jest dobór optymalnych parametrów filtru wygładzającego. 95

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 96 Schemat stabilizatora impulsowego obcowzbudnego wykonanego w oparciu o uniwersalny scalony regulator LM3524 przedstawiono na rys.4.12. Jest to przykład stabilizatora dławikowego obniżającego napięcie. Rys.4.12 Impulsowy stabilizator napięcia na układzie LM 3524 Układ scalony tego typu może być stosowany w stabilizatorach impulsowych o dowolnej biegunowości, w przetwornicach DC/DC o sprzężeniu transformatorowym w beztransformatorowych powielaczach napięcia a także w układach przekazywania energii. Wewnątrz układu scalonego (oznaczonego prostokątem z szarym tłem) zawarte są wszystkie obwody niezbędne do prawidłowej i niezawodnej pracy przeciwsobnej przetwornicy DC/DC. Układ ma wyjścia przeciwsobne dostarczające sygnałów sterujących o modulacji szerokości impulsu. Tranzystory sterujące T1 i T2 mają otwarte obwody emitera (nóżki 11 i 14) i kolektora (nóżki 12 i 13). Ze względu na zbyt mały prąd wyjściowy wewnętrznych tranzystorów (100mA) sterują one zewnętrznym tranzystorem T3, który zwiększa prąd obciążenia do 1A. Tranzystory T1 i T2 pracują impulsowo modulując szerokość impulsu w zakresie od 0 do 90% przy stałej ustalonej przez wewnętrzny generator częstotliwości impulsu. Częstotliwość generatora układu może być regulowana zewnętrznymi elementami R T i C T aż do 100kHz. Dioda D1 zamyka obwód prądu w czasie, kiedy element regulacyjny jest w stanie odcięcia. W tym czasie przepływ prądu w obciążeniu jest podtrzymywany dzięki energii zgromadzonej w dławiku i kondensatorze wyjściowym C6. Dioda D1, zwana diodą rozładowczą, to najczęściej szybka dioda Shotkiego. Zabezpieczenie prądowe w tym układzie ma przebieg jak charakterystyka c na rys.4.15.

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 97 Przykład stabilizatora impulsowego o takich samych parametrach jak poprzednio, lecz wykonanego w oparciu o monolityczny stabilizator napięcia LM 2575-12 z ustalonym w czasie produkcji napięciem wyjściowym, na poziomie 12V, przedstawiono na rys.4.13. Rys.4.13 Impulsowy stabilizator napięcia na układzie LM 2575-12 Wewnętrzna struktura takiego układu scalonego jest bardzo podobna do struktury regulatora LM3524. Stabilizator taki nie potrzebuje żadnych elementów zewnętrznych oprócz kondensatorów filtrujących, dławika i diody rozładowczej. Częstotliwość kluczowania tranzystora T1, określona przez wewnętrzny generator, wynosi 52kHz. Napięcie z wyjścia układu podawane jest na wewnętrzny dzielnik napięcia w celu dopasowania do poziomu napięcia wewnętrznego źródła napięcia odniesienia, którego wartość wynosi 1,23V a dalej na wzmacniacz błędu i komparator. Układ dodatkowo stwarza możliwość przełączania w stan czuwania napięciem o poziomie TTL podawanym na nóżkę 8, ma zabezpieczenie temperaturowe i zabezpieczenie prądowe, które działa zgodnie z charakterystyka d na rys.4.15. Stabilizatory kompensacyjne o regulacji impulsowej są coraz częściej stosowane w zasilaczach ze względu na większą sprawność oraz mniejsze wymiary i masę w porównaniu z układami analogowymi a więc stabilizatorami parametrycznymi i kompensacyjnymi o regulacji ciągłej. Zasilacze zawierające stabilizatory analogowe mają zwykle w swojej strukturze transformator sieciowy oraz radiator do odprowadzania ciepła z elementu regulacyjnego, które znacznie zwiększają masę i wymiary zasilacza. Natomiast zasilacze impulsowe nie muszą zawierać tych elementów a znajdujący się ich strukturze dławik lub transformator są znacznie mniejsze gdyż pracują przy dużej częstotliwości rzędu dziesiątek khz. 97

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 98 Stabilizatory impulsowe mają jednak i wady, do których można zaliczyć przede wszystkim duży współczynnik pulsacji napięcia wyjściowego. Pomimo zastosowania filtru LC w strukturze stabilizatora impulsowego na wyjście układu przedostają się zakłócenia wynikające z impulsowej pracy elementu regulacyjnego oraz harmoniczne będące wielokrotnością tej częstotliwości. 4.1.3.4. Źródła napięcia odniesienia i zabezpieczenia nadprądowe Zasadniczy wpływ na jakość stabilizacji napięcia w stabilizatorze kompensacyjnym ma źródło napięcia odniesienia, będące wzorcem, z którym porównywane jest napięcie wyjściowe. Źródłem napięcia odniesienia stosowanym bardzo często w układach stabilizatorów napięcia są diody Zenera, kompensowane termicznie. Przy omawianiu stabilizatorów parametrycznych wspomniano o niekorzystnym wpływie temperatury na napięcie stabilizowane. Kompensację termiczną można uzyskać łącząc diodę Zenera spolaryzowaną wstecznie z diodą spolaryzowaną w kierunku przewodzenia. Spadek napięcia na diodzie krzemowej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia wynosi ok. 0.6V, natomiast współczynnik temperaturowy zmiany tego napięcia jest ujemny i wynosi ok. -2mV/ C. Łącząc szeregowo spolaryzowaną w kierunku zaporowym diodę Zenera o dodatnim współczynniku temperaturowym napięcia z jedną lub dwiema diodami prostowniczymi lub diodami Zenera o ujemnym współczynniku termicznym spolaryzowanymi w kierunku przewodzenia, można uzyskać bardzo dobrą kompensację termiczną napięć tych elementów (ok. 0,001%/ C). Kompensację termiczną można również uzyskać łącząc szeregowo diodę Zenera o napięciu U Z > 6V z diodą o U Z < 6V (rys.4.5a). Zestaw taki będzie miał jednak rezystancję dynamiczną większą niż dioda Zenera z diodą prostowniczą. Współczynnik termiczny zmiany napięcia TKU Z zestawu diod zależy od wartości przepływającego przez nie prądu. Przy pewnym prądzie wartość TKU Z osiąga wyraźne minimum. Do kompensacji termicznej najlepiej nadają się diody o napięciu Zenera 6 7 V (rys.4.5a). Diody kompensowane termicznie produkowane są jako pojedynczy element na napięcie 7 9 V i rezystancji dynamicznej w granicach 10 30Ω. Aby zwiększyć dopuszczalny prąd obciążenia diody Zenera, zmniejszyć rezystancję dynamiczną i uzyskać kompensację termiczną napięcia wyjściowego, można zastosować układ z tranzystorem jak na rys. 4.14.

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 99 Rys.4.14. Źródło napięcia odniesienia o zwiększonej wydajności prądowej Prąd diody Zenera wywołuje na rezystorze R spadek napięcia, który po osiągnięciu wartości równej wartości napięcia przewodzenia złącza baza-emiter tranzystora T ustala się, ponieważ dalszy przyrost prądu przejmowany jest przez tranzystor. Dioda pracuje więc przy praktycznie stałym prądzie. Kompensację termiczną uzyskuje się za pomocą zrównoważenia dodatniego współczynnika termicznego diody ujemnym współczynnikiem temperaturowym napięcia złącza baza-emiter. W zasilaczach zbudowanych z elementów półprzewodnikowych nie można stosować bezpieczników topikowych jako zabezpieczenia przed przeciążeniem lub zwarciem, gdyż mają zbyt duże czasy reakcji. W zasadzie istnieją cztery możliwości zabezpieczenia nadprądowego, o charakterystykach przedstawionych na rys.4.15. Rys.4.15. Rodzaje zabezpieczenia nadprądowego Pokazane przykładowe przebiegi charakterystyk zabezpieczenia nadprądowego to: ograniczenie prądowe z ustawionym prądem granicznym (ang. VCL-variable current limiting) - charakterystyka c, 99

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 100 ograniczenie stałoprądowe (ang. CCL-constant current limiting) - charakterystyka a ograniczenie powrotne prądu (ang. FCL-foldback outback current limiting) charakterystyka b, ograniczenie będące kombinacją charakterystyki b i c - charakterystyka d. Przy charakterystyce c napięcie wyjściowe spada, co prawda po osiągnięciu przez prąd wartości granicznej, ale prąd zwarcia I cmax jest większy od prądu granicznego. Zasilacze o charakterystyce a (prostokątnej) mogą być stosowane zarówno jako źródła stałonapięciowe lub stałoprądowe. Zasilacze o charakterystyce powrotnej b mają prąd zwarcia I bs znacznie mniejszy od prądu granicznego a tym samym - mniejszą moc strat. Wszystkie te zabezpieczenia mają tę wspólną cechę, że po usunięciu przeciążenia układ wraca do normalnej pracy 4.2. Badania laboratoryjne 4.2.1. Badanie charakterystyk statycznych stabilizatorów napięcia stałego rys.4.16. Badanie wszystkich stabilizatorów przeprowadza się w układzie pomiarowym z Rys. 4.16. Układ pomiarowy do badania stabilizatorów napięcia stałego Wykaz przyrządów: Ł1 łącznik dwubiegunowy, At autotransformator sieciowy obniżający napięcie sieciowe, A 01,A 02 amperomierze prądu stałego, V 01,V 02 woltomierze prądu stałego, V Z2 woltomierz do pomiaru składowej zmiennej napięcia wyjściowego, R o regulowany rezystor

Ćwiczenie 4. Badanie stabilizatorów napięcia stałego 101 Ze względu na brak zabezpieczenia nadprądowego w stabilizatorze parametrycznym badając ten układ należy zewnętrzny obwód prądowy podłączyć do zacisku I układu stabilizatora (rys.4.17) zaś woltomierze do zacisku V. Rys. 4.17. Układ stabilizatora parametrycznego do badania w ćwiczeniu 4.2.2. Pomiar charakterystyki zmian napięcia wyjściowego w funkcji zmian napięcia wejściowego U wy =f(u we ) przy I wy =const W celu wykonania pomiarów należy połączyć układ pomiarowy w/g rys.4.16. Pokrętło autotransformatora AT ustawić w położenie 0V a rezystancję R o ustawić na maksymalną rezystancję i ustawić maksymalne zakresy pomiarowe na przyrządach. Po włączeniu zasilania układu łącznikiem Ł1, regulując autotransformatorem zmieniać napięcie na wejściu stabilizatora (U 0we ) zachowując stały prąd obciążenia (I wy ) (poprzez regulację R o ). Wyniki pomiarów wpisać do Tab.1. Tab. 1. I wy =const=.. Stabilizator. U 0we [V] Pomiary U 0wy [V] U Zwy [mv] k p [-] Obliczenia S U [-] Opracowanie wyników: na podstawie wyników pomiarów obliczyć współczynniki stabilizacji S U (z zależności 4.5) oraz współczynnik pulsacji k p (z zależności 4.2) dla wszystkich badanych układów i porównać je ze sobą, 101

Zasilanie urządzeń. Laboratorium 102 na wspólnym wykresie współrzędnych narysować charakterystyki zależności U 0wy =f(u 0we ) dla wszystkich badanych układów. 4.2.3. Pomiar charakterystyki zmian napięcia wyjściowego w funkcji zmian prądu obciążenia U wy =f(i wy ) przy U we =const Badania stabilizatorów przeprowadzone będą w układzie przedstawionym na rys. 4.16. W celu wykonania pomiarów należy po przygotowaniu układu do włączenia regulując autotransformatorem ustawić U 0we =20V i utrzymywać przez cały czas pomiarów na stałym poziomie. W czasie badania należy zmieniać prąd obciążenia I wy przez regulację rezystancji obciążenia od maksymalnej aż do zwarcia. Uwaga! DLA STABILIZATORA PARAMETRYCZNEGO TYLKO DO 1A Wyniki pomiarów wpisać do Tab. 2. Uwaga! Wyniki pomiarów a w szczególności napięcie wyjściowe (U wy ) odczytywać z maksymalną rozdzielczością. Tab. 2. U we =const=.. Stabilizator I 0wy [A] I 0we [A] Pomiary U 0wy [V] U Zwy [mv] Obliczenia η[%] S I [-] Opracowanie wyników: na podstawie wyników pomiarów obliczyć współczynniki stabilizacji S I (z zależności 4.8) oraz sprawność (w/g zależności 4.13) dla wszystkich badanych układów i porównać je ze sobą, na wspólnym wykresie współrzędnych narysować charakterystyki zależności U 0wy =f(i 0wy ) dla wszystkich badanych układów.