Uniwersytet Pedagogiczny im. Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie Laboratorium elektroniki Ćwiczenie nr 5 Temat: STABILIZATORY NAPIĘCIA Rok studiów Grupa Imię i nazwisko Data Podpis Ocena
1. Cel ćwiczenia Badanie szeregowych stabilizatorów napięcia i ich parametrów. 2. Wprowadzenie teoretyczne Układy zasilające, utrzymujące napięcie lub prąd wyjściowy w pewny załoŝonym zakresie wartości są nazywane stabilizatorami. W zaleŝności od zastosowania są to stabilizatory napięcia lub prądu stałego. Stabilizatory napięcia są standardowym dodatkiem do zasilaczy transformatorowych, w których napięcie pochodzi z prostownika Greatza, przefiltrowanego sekcją kondensatorów o duŝych pojemnościach. Przebieg z wyjścia takiego prostownika jest przedstawione na rys. 1. Rys. 1. Napięcie na wyjściu prostownika Greatza (na fioletowo); przebieg po filtracji kondensatorami (na czarno) Celem stabilizatora jest nie tylko dalsze wygładzenie przebiegu napięcia wyjściowego, ale stabilizacja napięcia o określonej wartości niezaleŝnie od wartości obciąŝenia. Podstawowymi parametrami określającymi jakość stabilizatora są NiewraŜliwość na zmiany napięcia wejściowego NiewraŜliwość na zmiany obciąŝenia Stabilizatory dzielą się na równoległe i szeregowe, w zaleŝności od sposobu podłączenia układu regulującego w stosunku do obciąŝenia (rys. 2). E R L U O R L U O E Rys. 2. Schemat stabilizatora a) równoległego, b) szeregowego Na rys. 2b przedstawiono stabilizator szeregowy, w którym układ regulujący jest połączony szeregowo z obciąŝeniem R L. Podczas zajęć przeanalizujemy dwa układy stabilizatorów. Na podstawie: Scientech Technologies Pvt. Ltd. 2 Instytut Techniki UP Kraków TH
2.1. Stabilizator z diodą Zenera (parametryczny) Szeregowy stabilizator z diodą Zenera jest przedstawiony na rys. 3a, a jego schemat zastępczy na rys. 3b. Rezystancja r z to dynamiczna rezystancja diody Zenera, czyli nachylenie charakterystyki diody w obszarze przebicia Zenera lub wyładowania lawinowego (rys. 4). R S R S r Z E R O U O E R O U O U Z Rys. 3 a) Schemat stabilizatora z diodą Zenera, b) schemat zastępczy stabilizatora z diodą Zenera Rys. 4. Nachylenie charakterystyki diody Zenera w obszarze przebicia Na podstawie schematu z rys. 3b korzystając z prawa Kirchoffa moŝna zapisać równanie oczkowe: Jednocześnie, w obszarze prądów dla których zachodzi przebicie Zenera, moŝna zapisać Obliczając z powyŝszego równania I Z i wstawiając do równania (1), moŝna wyznaczyć wartość napięcia wyjściowego U 0 w zaleŝności od prądu wyjściowego I 0 i napięcia wejściowego E (1) (2) (3) Na podstawie: Scientech Technologies Pvt. Ltd. 3 Instytut Techniki UP Kraków TH
Tak więc wraŝliwość napięcia wyjściowego na zmiany napięcia wejściowego moŝe być wyraŝona wzorem: a wraŝliwość na zmiany obciąŝenia (prądu wyjściowego I 0 ) (4) 2.2. Stabilizator z diodą Zenera i tranzystorem (szeregowy) Stabilizator z diodą Zenera wykazuje dość duŝą zaleŝność napięcia wyjściowego od obciąŝenia. MoŜna się pozbyć tej wady dodając do układu tranzystor według rysunku 4. (5) R S E I Z R O U O Rys. 4. Stabilizator z diodą Zenera i tranzystorem Prąd wypływający z węzła pomiędzy rezystorem R S a diodą Zenera, który w poprzedniej wersji układu był prądem wyjściowym, teraz dopływa do bazy tranzystora. W tym układzie prąd wyjściowy to prąd emitera, który jest większy od prądu bazy (β+1) razy. Tym samym wraŝliwość na zmiany obciąŝenia została zmniejszona do: (6) Napięcie na wyjściu tego stabilizatora jest mniejsze od napięcia Zenera o wartość napięcia U BE. (7) Na podstawie: Scientech Technologies Pvt. Ltd. 4 Instytut Techniki UP Kraków TH
3. Przebieg ćwiczenia Wymagane przyrządy : 1. Zestaw AB32 2. Zasilacz +12V 3. 3 multimetry cyfrowe 4. Przewody połączeniowe Rys. 5. Schemat układu pomiarowego 1 3.1. Stabilizator z diodą Zenera 3.1.1. Wykonaj połączenia punktów testowych 2-5 złącze baza-emiter zostanie zwarte, a tranzystor nie będzie wpływał na działanie układu. 3.1.2. Podłącz przyrządy pomiarowe tak, aby 3.1.2.1. Zmierzyć napięcie wejściowe E (napięcie na wyjściu potencjometru P1 w stosunku do masy układu) 3.1.2.2. Zmierzyć napięcie wyjściowe U 0 (na diodzie Zenera w odniesieniu do masy układu) 3.1.2.3. Zmierzyć prąd wyjściowy I 0 (płynący przez potencjometr P2 i rezystor 100Ω) 3.1.3. Ustaw na zasilaczu (niepodłączonym do układu) wartość 12V. 3.1.3. Przed podłączeniem układu do zasilania zweryfikuj wraz z prowadzącym układ połączeń. Na podstawie: Scientech Technologies Pvt. Ltd. 5 Instytut Techniki UP Kraków TH
3.1.3. Ustaw potencjometr P1 maksymalnie w prawo. Regulując napięciem zasilacza E i potencjometrem P2 przeprowadź pomiary zgodnie z tabelami: Tabela pomiarowa 1 Nr. U I [V] 1. 6 2. 7 3. 8 4. 9 5. 10 6. 11 =5 ma =10 ma =15 ma =20 ma =25 ma Tabela pomiarowa 2 Nr. [ma] 1. 5 2. 10 3. 15 4. 20 5. 25 6. 30 U I =7 V U I =8 V U I =9 V U I =10 V U I =11 V Tabela pomiarowa 3 Nr. U I [V] 1. 6 2. 7 3. 8 4. 9 5. 10 6. 11 R O =500 Ω R O =1 kω R O =1,5 kω R O =2 kω R O =3 kω Na podstawie: Scientech Technologies Pvt. Ltd. 6 Instytut Techniki UP Kraków TH
3.2. Stabilizator z diodą Zenera i tranzystorem 3.2.1. Odłącz układ od zasilania 3.2.2. Rozłącz połączenie 2-5. 3.2.3. Przed podłączeniem układu do zasilania zweryfikuj wraz z prowadzącym układ połączeń. 3.2.4. Ustaw potencjometr P1 maksymalnie w prawo. Regulując napięciem zasilacza E i potencjometrem P2 przeprowadź pomiary zgodnie z tabelami: Rys. 6. Schemat układu pomiarowego 2 Tabela pomiarowa 4 Nr. U I [V] 1. 6 2. 7 3. 8 4. 9 5. 10 6. 11 =5 ma =10 ma =15 ma =20 ma =25 ma Na podstawie: Scientech Technologies Pvt. Ltd. 7 Instytut Techniki UP Kraków TH
Tabela pomiarowa 5 Nr. [ma] 1. 5 2. 10 3. 15 4. 20 5. 25 6. 30 U I =7 V U I =8 V U I =9 V U I =10 V U I =11 V Tabela pomiarowa 6 Nr. U I [V] 1. 6 2. 7 3. 8 4. 9 5. 10 6. 11 R O =200 Ω R O =400 Ω R O =600 Ω R O =800 Ω R O =1 kω 4. Sprawozdanie 4.1.1. Na podstawie zmierzonych wartości (napięcie U I, U 0, I o ) oraz danych (R S = 200 Ω) oblicz dla kaŝdego pomiaru prąd I Z płynący przez diodę Zenera. Wykreśl zaleŝność I Z (I 0 ) dla dwóch analogicznych pomiarów w obu układach, dla których U I = 9V. 4.1.2. Wykonaj wykresy U 0 (U I ), U 0 (I 0 ). 4.1.3. Na podstawie uzyskanych wyników oszacuj wzmocnienie tranzystora β i rezystancję dynamiczną diody Zenera r z. 5. Literatura: 5.1. http://ue.pwr.wroc.pl/wyklad_elementy_elektroniczne/w13_stabiliztory_liniowe.ppt.pdf 5.2. http://www.dydaktyka.ib.pwr.wroc.pl/materialy/etp002003l%20podstawy%20elektrotechniki %20i%20elektroniki%202/Cw.13%20Stabilizator%20napiecia.pdf 5.3. Paul Horowitz, Winfield Hill: Sztuka elektroniki, WKŁ 2013 5.4. A.Borkowski, Zasilanie urządzeń elektronicznych, WKŁ 1999 5.5. A. Borkowski, Układy scalone w stabilizatorach napięcia stałego, WNT 1985. 6. Wykaz przyrządów: Na podstawie: Scientech Technologies Pvt. Ltd. 8 Instytut Techniki UP Kraków TH