LABORATORIM Scalony stabilizator napięcia typu 723 Część II Zabezpieczenia przeciążeniowe stabilizatorów napięcia Opracował: dr inż. Jerzy Sawicki Wymagania, znajomość zagadnień: 1. dzaje zabezpieczeń stosowanych w stabilizatorach napięcia: przeciążeniowe, przepięciowe i termiczne oraz przykładowe sposoby ich realizacji. 2. Znajomość schematów oraz zasady działania układów ograniczenia (ze stabilizacją prądu wyjściowego) i redukcji prądu zwarciowego (foldback). 3. Schemat blokowy oraz zasada działania stabilizatora szeregowego ze wzmacniaczem błędu wykorzystującego układ scalony typu LM723. 4. Definicje podstawowych parametrów charakteryzujących stabilizatory napięcia. Literatura: 1. Horowitz., Hill W.: Sztuka elektroniki, część 1. 21. 2. Borkowski A.: Zasilanie urządzeń elektronicznych, 199. 3. Borkowski A.: kłady scalone w stabilizatorach napięcia stałego, 1985. 4. Tietze., Schenk Ch.: kłady półprzewodnikowe, 29. 5. Karta katalogowa układu scalonego LM723, Texas Instruments (dostępna w Internecie). 1
ODSTAWOWE INFORMACJE O KŁADZIE SCALONM T LM723 FREQENC COMENSATIO N c TEMERATRE COMENSATED ZENER OLTAGE REFERENCE AMLIFIER ref in(-) in(+) ERROR AMLIFIER CRRENT LIMITER SERIES ASS out z - CRRENT LIMIT CRRENT SENSE odstawowe elementy wchodzące w skład układu scalonego typu 723 (IC oltage Regulator) kład wyprowadzeń układu scalonego typu 723 w obudowie DI i CDI waga: wszystkie badane w ćwiczeniu stabilizatory napięcia wykorzystują układ scalony typu LM723 oraz niewielką liczbę elementów zewnętrznych umieszczonych na wspólnej płytce CB. Widok rozmieszczenia elementów na płytce oraz wykaz elementów znajdują się w załączniku na końcu niniejszej instrukcji. 2
A. Stabilizator napięcia z zabezpieczeniem przeciążeniowym stabilizującym maksymalny prąd wyjściowy. Zasada działania zabezpieczenia polega na porównaniu spadku napięcia na rezystorze R, przez który przepływa prąd wyjściowy, z napięciem przewodzenia złącza baza-emiter tranzystora. Gdy spadek napięcia na rezystorze R osiąga wartość (około,7) wystarczającą do uaktywnienia tranzystora rozpoczyna się działanie układu zabezpieczenia. Tsz IR R IC IB1=IER BE2,7 IN IER IC2= IE2= RA ref RB BEF,7 BE Rys. 1. Spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R (rezystor zamienia wartość prądu I o na proporcjonalną do niego wartość spadku napięcia) steruje obwodem baza-emiter tranzystora. Jeżeli spadek napięcia na rezystorze R będący iloczynem prądu wyjściowego I o oraz rezystancji R jest mniejszy niż około,7, zabezpieczenie nie wpływa na działanie stabilizatora (tranzystor jest nieaktywny). kład będzie stabilizował napięcie. Tsz IB1=IER-IC2 IR R BE2,7 Stabilizacja napięcia Stabilizacja prądu IN IER IC2 IE2 IC2 RA ref RB max Rys. 2. o osiągnięciu wartości spadku napięcia na rezystorze pomiarowym R około,7 uaktywni się tranzystor. rąd kolektora tranzystora (płynący następnie przez emiter i do masy przez obciążenie R o ) będzie zmniejszał prąd bazy tranzystora T sz. W końcowym efekcie układ zacznie utrzymywać wartość prądu I o na stałej (maksymalnej) wartości. kład będzie teraz stabilizował prąd I o. Charakterystyka wyjściowa ze stabilizacją maksymalnego prądu wyjściowego jest w wielu zastosowaniach korzystna. Trzeba jednak zaznaczyć, że w stanie zwarcia na wyjściu na tranzystorze szeregowym T sz wydzielać się będzie moc cieplna równa iloczynowi napięcia wejściowego i maksymalnego prądu wyjściowego. Mniejsze straty cieplne w tranzystorze T sz podczas zwarcia można uzyskać stosując zabezpieczenie przeciążeniowe typu foldback omówione w punkcie B niniejszej instrukcji. rzebieg ćwiczenia 1. ołączyć układ stabilizatora napięcia (rys. 3) zwracając szczególną uwagę na prawidłową biegunowość napięcia wejściowego in z zewnętrznego zasilacza oraz połączenia obwodu zabezpieczenia przeciążeniowego (zaciski i tranzystora ). stawić wartość napięcia wejściowego in równą 15. Ograniczyć wydajność prądową zewnętrznego zasilacza do około 1A. 3
Rf +cc in GN Cf1 Cf2 Ck2 C1 INT Ck1 T1 T3 ref1 C4 Rsc ut OTT Rsc1 Rsc2 R7 C2 C3 o A R o R8 Rys. 3. Schemat połączeń stabilizatora napięcia z zabezpieczeniem przeciążeniowym ze stabilizacją maksymalnego prądu wyjściowego. 2. Zbadać charakterystykę wyjściową stabilizatora o = f (I out ) dla trzech wartości rezystancji R sc : a. R sc = R sc1 +R sc2 =3,2Ω b. R sc = R sc2 =2,2Ω c. R sc = R sc1 =1Ω Obciążenie R o to laboratoryjny rezystor suwakowy 25 Ω. omiary przeprowadzić możliwie szybko, szczególnie w stanie zwarcia wyjścia R =. Należy zwrócić uwagę na temperaturę tranzystora T3. B. Stabilizator napięcia z zabezpieczeniem przeciążeniowym redukującym wartość prądu zwarciowego (foldback). Zasada działania zabezpieczenia polega na porównaniu napięcia z napięciem przewodzenia złącza baza-emiter tranzystora. Gdy napięcie na rezystorze R osiąga wartość (około,7) wystarczającą do uaktywnienia tranzystora rozpoczyna się działanie układu zabezpieczenia typu foldback. O+IO R Tsz R odstawowe zależności: IN IER IB1=IER IC2 BE2=,7 R R BE 2 R R R I R R 1 R R I BE 2 R R R R I R R R R X Rys. 4. Zasada działania zabezpieczenia przeciążeniowego z redukcją prądu zwarciowego. Dla lepszej czytelności schematu pominięto wzmacniacz błędu, źródło napięcia odniesienia i sprzężenie zwrotne. rąd wyjściowy I o osiągnie maksymalną wartość dla napięcia BE2,7: I OMAX R R BE 2F R ; R R 2 F, BE 7 4
Natomiast w stanie zwarcia (dla O =) wyzeruje się pierwszy składnik powyższego równania, a zatem prąd wyjściowy zwarciowy będzie wynosił: Zabezpieczenie przeciążeniowe typu foldback charakteryzuje się mniejszym prądem zwarciowym niż prądem maksymalnym, możliwym do uzyskiwania podczas stabilizacji napięcia wyjściowego. W stanie zwarcia redukuje się moc cieplna iloczyn napięcia wejściowego i prądu zwarciowego - wydzielana w tranzystorze szeregowym T sz. rzebieg ćwiczenia I OZW BE 2F R ; R R 2 F, BE 7 1. ołączyć układ stabilizatora napięcia (rys. 3) zwracając szczególną uwagę na prawidłową biegunowość napięcia wejściowego in z zewnętrznego zasilacza oraz połączenia obwodu zabezpieczenia przeciążeniowego (zaciski i tranzystora ). stawić wartość napięcia wejściowego in równą 15. Ograniczyć wydajność prądową zewnętrznego zasilacza do około 1A. Rf +cc in GN Cf1 Cf2 Ck2 C1 INT Ck1 T1 T3 ref1 C4 Rsc Rsc1 Rsc2 R4 ut R7 C2 C3 OTT o A R o R5 R8 Rys. 5. Schemat połączeń stabilizatora napięcia z zabezpieczeniem przeciążeniowym z redukcją prądu zwarciowego (foldback). 2. Zbadać charakterystykę wyjściową stabilizatora o = f (I out ) dla trzech wartości rezystancji R sc : a. R sc = R sc1 +R sc2 =3,2Ω b. R sc = R sc2 =2,2Ω c. R sc = R sc1 =1Ω Obciążenie R o to laboratoryjny rezystor suwakowy 25 Ω. omiary przeprowadzić możliwie szybko, szczególnie w stanie zwarcia wyjścia R =. Należy zwrócić uwagę na temperaturę tranzystora T3. 5
C. Stabilizator napięcia z zewnętrznym tranzystorem mocy typu pnp i zabezpieczeniem przeciążeniowym. Zwiększenie maksymalnego prądu wyjściowego stabilizatora typu 723 jest możliwe także przez użycie zewnętrznego tranzystora mocy typu pnp. cc LM723 I 1 Rp out BE I 1 Rsc I 2 T4 I 2 I o=i 1+I 2 Dla małych prądów wyjściowych I o (spadek napięcia na rezystorze R <,7) prąd I 1 do wyjścia stabilizatora dostarcza wewnętrzny tranzystor npn układu scalonego 723. Jeżeli spadek napięcia na rezystorze Rp osiągnie wartość wystarczającą (około,7) do uaktywnienia tranzystora T4 zacznie płynąć także prąd I 2. W przypadku zastosowania tranzystora mocy pnp prąd I 2 może być znacznie większy niż prąd I 1. rąd I 2 zacznie płynąć, gdy prąd I 1 osiągnie wartość: - I BEF 1MAX BEF, 7 R GND GND Rys. 6. Zasada działania stabilizatora napięcia typu 723 z zewnętrznym tranzystorem mocy typu pnp. Dla uproszczenia analizy układu pominięto wpływ prądów baz tranzystorów. rzebieg ćwiczenia 1. ołączyć układ stabilizatora napięcia (rys. 7) zwracając szczególną uwagę na prawidłowe podłączenie napięć zasilających poszczególne bloki stabilizatora: in, cc oraz. Ograniczyć wydajność prądową zewnętrznego zasilacza do około 1A. Cf1 Cf2 Rf Ck2 Rp C1 in INT GND Ck1 T4 +cc T1 ref1 C4 ut OTT Rsc1 Rsc2 R7 C2 C3 o A R o R8 Rys. 7. Schemat połączeń stabilizatora napięcia z wykorzystaniem układu LM723 i zewnętrznego tranzystora mocy typu pnp. Zastosowano zabezpieczenie przeciążeniowe ze stabilizacją maksymalnego prądu wyjściowego. 2. Zbadać i wykreślić charakterystykę przejściową stabilizatora o =f( in ), w zakresie napięć in od zera do 2. odczas pomiarów obciążyć stabilizator rezystancją R o równą 25Ω (laboratoryjny rezystor suwakowy). 3. Zbadać i wykreślić charakterystykę wyjściową stabilizatora o =f(i o ) przy napięciu in równym 15. odczas pomiarów zastosować obciążenie R o w zakresie od 25Ω do zwarcia wyjścia. Zmierzyć także napięcie wyjściowe bez obciążenia. 6
ZAŁĄCZNIK 1. Rzeczywisty widok płytki do ćwiczenia laboratoryjnego. 2. Wykaz elementów umieszczonych na płytce: S 1 - układ scalony LM723 lub jego odpowiednik, obudowa DI14 S 2 - układ scalony LM285-1.2, obudowa TO-92 T3 - tranzystor mocy BD393 (npn), obudowa TO-22, radiator DO1A T4 - tranzystor mocy BD394 (pnp), obudowa TO-22, radiator DO1A R1 - rezystor 1 kom,,125 W, 5% R2 - rezystor 1,5 kom,,125 W, 5% R3 - rezystor 1,3 kom,,125 W, 5% R4 - rezystor 2,7 kom,,125 W, 5% R5 - rezystor 5,6 kom,,125 W, 5% R6 - rezystor 1 kom,,125 W, 5% R7 - rezystor 2,7 kom,,125 W, 5% R8 - rezystor 6,8 kom,,125 W, 5% R f - rezystor 1 om,,125 W, 5% R w - rezystor 43 om,,125 W, 5% R p - rezystor 62 om,,125 W, 5% R sc1 - rezystor 1 om, 1 W, 5% R sc2 - rezystor 2,2 om, 1 W, 5% - potencjometr 1 kom, A liniowy C1 - kondensator elektrolityczny 22 µf/5 C2 - kondensator ceramiczny 47 nf/5 C3 - kondensator elektrolityczny 1 µf/5 C4 - kondensator ceramiczny 47 nf/5 C f1 - kondensator ceramiczny 47 nf/5 C f2 - kondensator elektrolityczny 1 µf/5 C k1 - kondensator ceramiczny 1 pf/5 - kondensator ceramiczny 1 nf/5 C k2 7