P

OLITECHNIKA WI TOKRZYSKA

W

K

IELCACH

W

YDZIAŁ

E

LEKTROTECHNIKI

,

A

UTOMATYKI I

I

NFORMATYKI

K

ATEDRA

E

LEKTRONIKI I

S

YSTEMÓW

I

NTELIGENTNYCH

L

ABORATORIUM

P

ODSTAW

E

LEKTRONIKI

I

NSTRUKCJA

L

ABORATORYJNA

WICZENIE NR

3:

Z

ASILACZE STABILIZOWANE NAPI CIA STAŁEGO

K

IELCE

2006

- 2 -

1. Wst p teoretyczny

Prawie wszystkie układy i urz dzenia elektroniczne, w celu zapewnienia prawidłowego działania,

musz by zasilane napi ciem stałym. Poniewa zasilanie z baterii lub akumulatorów ogranicza si w

zasadzie do urz dze przeno nych, mo na stwierdzi , e zagadnienie projektowania zasilaczy napi cia

stałego jest jednym z podstawowych problemów w konstrukcji układów elektronicznych. Zasilacz

napi cia stałego mo na okre li jako urz dzenie, przetwarzaj ce energi sieci pr du zmiennego

(przewa nie o warto ci skutecznej napi cia 220V) na napi cie stałe. Je eli napi cie to ma słu y zasilaniu

układów tranzystorowych, jego warto zawiera si przeci tnie w granicach od kilku do kilkunastu

woltów. Zasilacz napi cia stałego składa si z transformatora obni aj cego napi cie, prostownika oraz

układu elektronicznego (decyduj cego o wła ciwo ciach danego zasilacza). Schemat blokowy takiego

zasilacza przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza napi cia stałego.

Je eli transformator nie posiada odczepu na rodku uzwojenia wtórnego, mo liwe jest zastosowanie

dwóch rodzajów prostowników:

•

jednopołówkowego (jedna dioda prostownicza),

•

dwupołowkowego (cztery diody prostownicze w układzie Graetza).

Je eli taki odczep transformator posiada, wówczas przewa nie prostownik pracuje jako

dwupołówkowy (tworz go dwie diody prostownicze).

W zale no ci od tego, w jaki sposób zbudowany jest układ elektroniczny z rys. 1, zasilacze mo na

podzieli na nast puj ce grupy:

•

niestabilizowane:

o

układ elektroniczny z kondensatorem o du ej pojemno ci

o

układ elektroniczny z filtrem dolnoprzepustowym RC lub LC

•

stabilizowane:

o

układ elektroniczny z diod Zenera (rys. 2)

o

układ elektroniczny z tranzystorem szeregowym (rys. 3)

o

układ elektroniczny z tranzystorem równoległym (rys. 4)

Dla cisło ci nale y doda , e przedstawiony podział zasilaczy jest podziałem niepełnym. Pomini to

bowiem układy rzadziej stosowane b d takie, które nie mog by zrealizowane na makiecie

laboratoryjnej: powielacze napi cia, filtry tranzystorowe, zasilacze tyrystorowe, przetwornice napi cia

stałego, zasilacze z regulacyjnymi tranzystorami polowymi i inne.

Poni ej przedstawiono schematy zasilaczy stabilizowanych napi cia stałego:

PROSTOWNIK

~230V

U

wy

U

we

UKŁAD

ELEKTRONICZNY

R

0

- 3 -

Rys. 2. Układ zasilacza stabilizowanego z diod Zenera i prostownikiem jednopołówkowym

Rys. 3. Układ zasilacza stabilizowanego z tranzystorem szeregowym i prostownikiem

jednopołówkowym.

Rys. 4. Układ zasilacza stabilizowanego z tranzystorem równoległym i prostownikiem

jednopołówkowym.

1. 1. Zasilacz stabilizowany z diod Zenera i z prostownikiem dwupołówkowym

Zasadnicz niedogodno zasilaczy niestabilizowanych - zmian warto ci redniej napi cia

wyj ciowego z obci eniem - mo na w pewnych granicach wyeliminowa przez doł czenie do

prostownika układu z diod Zenera.. Układ tego rodzaju, współpracuj cy z prostownikiem

dwupołówkowym, pokazano na rys. 5.

Rys. 5. Układ zasilacza stabilizowany z diod Zenera i z prostownikiem dwupołówkowym.

D

~230V

C

U

wy

U

we

R

D

Z

D

~230V

C

U

wy

U

we

R

D

Z

T

D

~230V

C

U

wy

U

we

R

D

Z

T

~230V

C

1

U

wy

R

0

I

wy

D

1

D

2

U

we

R

D

Z

C

2

I

Z

- 4 -

Przyst puj c do opisu działania omawianego zasilacza, wygodniej b dzie na pocz tku pomin

zagadnienie t tnie napi cia U

C1

, na kondensatorze C

1

. Zakładaj c zatem, e napi cie to ma warto stał ,

łatwo stwierdzi , e bez obci enia (

→∝

0

R

) cały pr d płynie przez diod Zenera. Przyjmuj c, e jest to

pr d maksymalny I

Zmax

. mo na napisa nast puj ce równanie:

Z

Z

C

U

R

I

U

+

⋅

=

max

1

, gdzie U

Z

, jest

napi ciem na diodzie Zenera; (jednocze nie jest to napi cie wyj ciowe U

wy

zasilacza). Zmniejszenie

warto ci rezystora R, przy danej warto ci U

C1

, spowodowałoby przekroczenie maksymalnego pr du

diody. Zatem, minimalna warto rezystora R okre lona jest zale no ci :

max

1

min

Z

Z

C

I

U

U

R

−

=

. Doł czenie

obci enia spowoduje przej cie przez gał z R

0

pewnej cz ci pr du, płyn cego poprzednio (tj. bez

obci enia) przez diod . Im warto R

0

b dzie mniejsza, tym mniejszy b dzie pr d diody. Nie powinien

on zmniejszy si poni ej warto ci I

Zmin

, okre lonej przez zagi cie charakterystyki diody, gdy groziłoby

to wyprowadzeniem diody z zakresu stabilizacji napi cia i tym samym - niedopuszczalnie du zmian

napi cia wyj ciowego zasilacza. Przyjmuj c zatem, ze maksymalna warto pr du obci enia I

wy max

jest

dana wzorem:

min

0

min

0

max

R

U

R

U

I

Z

wy

wy

=

=

mo na okre li

max

1

min

max

1

max

wy

Z

C

Z

wy

Z

C

I

U

U

I

I

U

U

R

−

≈

+

−

=

W celu poprawnego zaprojektowania układu zasilacza nale y zatem zna warto napi cia

wyj ciowego, maksymalnego pr du wyj ciowego oraz charakterystyk diody Zenera. Wyst puj ce

równie we wzorach napi cie U

C1

w rzeczywisto ci nie ma, jak to powy ej zało ono, warto ci stałej.

Chocia w gruncie rzeczy pr d płyn cy przez rezystor R w poprawnie zaprojektowanym zasilaczu prawie

nie zmienia si , mimo zmian obci enia (dla R>R

0min

), to jednak na kondensatorze C

1

mo na

zaobserwowa wyra ne t tnienia napi cia. W istocie jest to cecha wszystkich zasilaczy, a jedyn metod

zmniejszenia tych t tnie (przy zadanym pr dzie pobieranym przez zasilacz) jest zwi kszenie pojemno ci

kondensatora C

1

. Poniewa , wskutek opisanego zjawiska, t tnienia mog w pewnym stopniu zmienia

warto redni napi cia U

C1

i tym samym powodowa bł dy obliczenia R

min

i R

max

, na podstawie

podanych wy ej wzorów mo na sformułowa nast puj ce zalecenie: nie nale y wybiera R w pobli u

wyliczonych warto ci granicznych, najlepiej - na rodku mi dzy nimi.

Drugie zalecenie, które mo na uzasadni przy pomocy rozszerzonej analizy tego typu układów brzmi

nast puj co: maksymalny pr d obci enia I

wy max

powinien stanowi 30 do 50% maksymalnego pr du

diody Zenera I

Zmax

.

1.2. Zasilacz stabilizowany z tranzystorem szeregowym i z prostownikiem

jednopołówkowym

Układ ten, nazywany cz sto stabilizatorem wtórnikowym, przedstawiony jest na poni szym rysunku.

Rys. 6. Stabilizator wtórnikowy.

Poniewa tranzystor regulacyjny jest wł czony szeregowo z obci eniem, przedstawiony układ

zalicza si do stabilizatorów szeregowych. Znaczna wi kszo produkowanych obecnie zasilaczy, tak w

wersji scalonej jak i dyskretnej, zalicza si do tej kategorii.

D

~230V

C

1

U

we

R

D

Z

T

U

wy

R

0

I

wy

C

2

- 5 -

Poniewa pr d bazy tranzystora regulacyjnego jest okre lony zale no ci

0

β

=

wy

b

I

I

, przez rezystor R

płynie suma pr dów bazy i diody Zenera:

0

β

+

=

wy

Z

R

I

I

I

. Je eli pr d ten jest odpowiednio dobrany i

utrzymuje diod w zakresie stabilizacji, napi cie na niej pozostaje prawie stałe i równe U

Z

. Napi cie

wyj ciowe zasilacza jest okre lone oczywist zale no ci :

BE

Z

wy

U

U

U

−

=

, gdzie: U

BE

jest napi ciem

baza-emiter przewodz cego tranzystora regulacyjnego. W przypadku, gdy warto pr du wyj ciowego

jest du a, to, zgodnie z przebiegiem charakterystyk tranzystora, napi cie U

BE

w tranzystorze krzemowym

przyjmuje warto 0,8...0,9 V. Je eli z kolei zasilacz pracuje z małym pr dem wyj ciowym, napi cie to

spada do warto ci 0,5...0,6 V. Wida wi c, e przyj cie typowej warto ci U

BE

= 0,7V mo e prowadzi do

nadmiernych uproszcze .

Rezystancj R wyznacza si podobnie jak w przypadku stabilizatora z diod Zenera. Je eli I

wy

≈

0,

wówczas przez rezystor R płynie pr d tylko diody, a wi c w wariancie najbardziej niekorzystnym:

max

1

min

Z

Z

C

I

U

U

R

−

=

. Zwi kszenie pr du obci enia zmniejsza pr d płyn cy przez diod . Warto tego

pr du nie powinna by ni sza ni I

Zmin

, zatem:

0

max

max

1

max

β

+

−

=

wy

Z

Z

C

I

I

U

U

R

. Równie i tu obowi zuje

konieczno przestrzegania relacji mi dzy maksymalnym pr dem obci enia a maksymalnym pr dem

diody:

max

max

0

%)

50

%

30

(

1

Z

wy

I

I

⋅

=

⋅

β

W tranzystorze regulacyjnym wydziela si moc:

)

(

1

wy

C

wy

T

U

U

I

P

−

⋅

=

Ze wzgl du na to, e wykorzystany w makiecie tranzystor BC107 nie posiada radiatora, mo na

przyj , e przeci tnie I

wy max

= 50…60 mA, o ile ró nica U

C1

– U

wy

nie przekracza 10 V.

1.3. Pomiary parametrów zasilaczy

W ka dym z opisanych zasilaczy napi cie wyj ciowe maleje ze wzrostem pr du, pobieranego przez

obci enie. Spadek napi cia jest wyra ny w zasilaczu niestabilizowanym i mniej wyra ny w

stabilizowanym: jako ciowo pokazuje to rys. 9.

Rys. 7. Zale no U

wy

= f(I

wy

) zasilacza napi cia stałego.

I

wy1

I

wy2

I

wy0

I

wy

U

wy

U

wy max

U

wy1

U

wy0

P(I

wy0,

U

wy0

)

U

we

=constans

U

wy2

- 6 -

Dokonuj c stałopr dowego pomiaru U

wy

= f(I

wy

) otrzymuje si krzyw przedstawian na rysunku lini

ci gł (mierniki pokazuj bowiem redni warto napi cia i pr du). W istocie jednak na warto redni

napi cia wyj ciowego nakładaj si t tnienia, których amplituda wzrasta w miar zwi kszania si pr du

wyj ciowego. Obwiednia napi cia t tnie pokazana została na rysunku lini przerywan . Pełnej

charakterystyki z rys. 7. nie mo na otrzyma bezpo rednio; na ogół mierzy si j osobno dla pr du

stałego i osobno dla pr du zmiennego, a pó niej dodaje oba wykresy.

Na podstawie krzywej ci głej z rys. 7 mo na obliczy podstawowy parametr, obrazuj cy jako

zasilacza napi cia stałego - rezystancj wyj ciow w punkcie

P(I

wy0

,U

wy0

) . Oznaczaj c j przez r, mo na

wprowadzi definicj :

wy

wy

wy

wy

wy

wy

I

U

I

I

U

U

r

∆

∆

=

−

−

=

1

2

1

2

przy czym z rysunku wynika, e r zmienia si z

pr dem I

wy

do silnie dla małych warto ci tego pr du; pó niej osi ga warto prawie stał .

Rys. 8. Zale no U

wy

= f(U

we

)

zasilacza napi cia stałego.

Drugim wa nym parametrem, charakteryzuj cym jako zasilacza napi cia stałego, jest współczynnik

stabilizacji napi cia w punkcie

P(U

we0

, U

wy0

) okre lany wzorem:

.

0

0

0

0

1

2

0

1

2

const

U

U

U

U

U

U

U

U

U

U

S

R

we

we

wy

wy

we

we

we

wy

wy

wy

=

∆

∆

=

−

−

=

gdzie: przez U

we

nale y rozumie napi cie na kondensatorze C

1

w układach z rys. 5. i rys. 6., natomiast

∆

U

wy

i

∆

U

we

oznaczaj przyrosty odpowiednich napi na wyj ciu i wej ciu zasilacza. Przygl daj c si

definicji współczynnika stabilizacji mo na powiedzie , e jest on miar „odporno ci” zasilacza na zmiany

napi cia wej ciowego. Im warto S jest mniejsza, tym lepszy jest zasilacz. Warto S wyznaczana jest

metod stałopr dow . Oczywiste jest, e przed doł czeniem zasilacza wytwarzaj cego U

we

nale y od

badanego układu odł czy prostownik.

T tnienia na wej ciu i wyj ciu zasilacza mo na obserwowa na oscyloskopie.

U

we

U

wy

U

wy2

U

wy1

U

we1

U

we2

P(U

we0,

U

wy0

)

U

we0

U

wy0

R

0

= const.

- 7 -

2. Przebieg wiczenia

2.1. Pomiar charakterystyki

U

wy

=f(

U

we

) zasilacza stabilizowanego

Schematy pomiarowe

Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyki stałopr dowej U

wy

=f(U

we

) zasilacza stabilizowanego.

Sposób przeprowadzenia pomiarów

•

Poł czy układ pomiarowy przedstawiony na rys. 9. (R = 100 , R

0

=1k , D

Z

– C10)

•

Wykona pomiary charakterystyki stałopr dowej U

wy

=f(U

we

) R

0

=const zasilacza

stabilizowanego. Pomiar polega na ustawieniu na regulowanym zasilaczu E napi cia

wej ciowego U

we

(woltomierz

V

1

) i odczycie napi cia wyj ciowe U

wy

(woltomierz

V

2

).

Wyniki nale y zanotowa w tabeli 1. Napi cie wej ciowe U

we

nale y zmienia w zakresie

od 0 do 16V.

•

Powtórzy pomiary dla R

0

= 470 . i R

0

= 10k

Tabela pomiarowa
Tabela 1. Pomiar charakterystyki wyj ciowej zasilacza niestabilizowanego

)

(

we

wy

U

f

U

=

R

0

= 1k

R

0

= 470

R

0

= 10k

Lp.

U

we

[mA]

U

wy

[V]

U

we

[mA]

U

wy

[V]

U

we

[mA]

U

wy

[V]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

R

U

wy

R

0

V

2

D

Z

U

we

V

1

E

- 8 -

2.2. Pomiar charakterystyki wyj ciowej

U

wy

=f(

I

wy

) zasilacza stabilizowanego

Schematy pomiarowe

Rys. 10. Układ do pomiaru charakterystyki wyj ciowej zasilacza stabilizowanego

z prostownikiem jednopołówkowym.

Rys. 11. Układ do pomiaru charakterystyki wyj ciowej zasilacza stabilizowanego z prostownikiem

dwupołówkowym (układ Graetza)

Rys. 12. Układ do pomiaru charakterystyki wyj ciowej zasilacza stabilizowanego z prostownikiem

dwupołówkowym (2 diody)

Sposób przeprowadzenia pomiarów

•

Poł czy układ pomiarowy przedstawiony na rys. 10. (C=25 F, R=100 , R

0

=1k , D

Z

– C10)

•

Wykona pomiary charakterystyki wyj ciowej U

wy

=f(I

wy

) U

we

=const zasilacza

stabilizowanego. Pomiar polega na odczycie pr du wyj ciowego I

wy

(miliamperomierz

mA)

i napi cie wyj ciowego U

wy

(woltomierz

V) przy ustalonej rezystancj obci enia R

0

. Wyniki

nale y zanotowa w tabeli 1. Rezystancj obci enia R

0

nale y zmienia w granicach od

560k

Ω do 10Ω.

•

Powtórzy pomiary dla układu zasilacza stabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym

(rys. 10. lub rys. 11.).

D

~230V

C

U

we

U

wy

R

0

I

wy

mA

V

R

D

Z

R

0

D

1

~230V

C

U

we

U

wy

I

wy

mA

V

D

2

D

3

D

4

R

D

Z

D

1

~230V

C

U

we

U

wy

R

0

I

wy

mA

V

D

2

R

D

Z

- 9 -

Tabela pomiarowa
Tabela 2. Pomiar charakterystyki wyj ciowej zasilacza stabilizowanego

)

(

wy

wy

I

f

U

=

Prostownik jednopołówkowy

Prostownik dwupołówkowy

(Gretza)

Prostownik dwupołówkowy (2

diody)

Lp

I

wy

[mA]

U

wy

[V]

I

wy

[mA]

U

wy

[V]

I

wy

[mA]

U

wy

[V]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

2.3. Badanie przebiegów czasowych napi zasilacza stabilizowanego

Schematy pomiarowe

Rys. 13. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza stabilizowanego z prostownikiem

jednopołówkowym.

Rys. 14. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza stabilizowanego z prostownikiem

dwupołówkowym (układ Graetza).

D

~230V

C

U

we

R

0

kanał

A

kanał

B

Oscyloskop

D

Z

R

D

1

~230V

C

U

we

D

2

D

3

D

4

R

0

kanał

A

kanał

B

Oscyloskop

D

Z

R

- 10 -

Rys. 15. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza stabilizowanego z prostownikiem

dwupołówkowym (2 diody).

Sposób przeprowadzenia pomiarów

•

Poł czy układ pomiarowy przedstawiony na rys. 13. (C=25 F, R=100 , R

0

=1k , D

Z

–C10)

•

Narysowa przebieg wej ciowy U

we

(t) (kanał

A oscyloskopu) oraz przebiegi wyj ciowe U

wy

(t)

(kanał

B oscyloskopu) dla ró nych warto ci pojemno ci C i obci enia R

0

podanych przez

prowadz cego.

•

Poł czy układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza niestabilizowanego z

prostownikiem dwupołówkowym (rys. 14.) lub (rys. 15.) i wykona podobne pomiary.

3. Opracowanie wyników pomiaru

W sprawozdaniu nale y zamie ci :

1.

Schematy pomiarowe realizowane na wiczeniu.

2.

Tabele pomiarowe z wynikami.

3.

Charakterystyki U

wy

= f(U

we

)

dla ró nych warto ci rezystancji obci enia R

0.

4.

Wyznaczy współczynnik stabilizacji S w punkcie okre lonym przez prowadz cego zaj cia.

5.

Charakterystyki wyj ciowe U

wy

= f(I

wy

)

dla zasilacza stabilizowanego z prostownikiem jedno- i

dwupołówkowym. Wyznaczy rezystancj wyj ciow r w punkcie okre lonym przez prowadz cego

zaj cia.

6.

Przebiegi sygnału wej ciowego i wyj ciowych dla badanych układów i ró nych warto ci C oraz R

0

.

7.

Wnioski.

D

1

~230V

U

we

D

2

C

R

0

kanał

A

kanał

B

Oscyloskop

D

Z

R