A) Cel ćwiczenia.
- Zrozumienie zasady działania stabilizatora napięcia
- Zrozumienie zasady działania i zastosowań obwodów prądu stałego
Podstawowe wymagania
Schemat blokowy układu stabilizatora napięcia
I0
UKA
AD
Uwe STABILIZATORA U0 R0
NAPI
CIA
1. Wymaga się aby napięcie wyjściowe (UO) pozostawało stałe niezależnie od zmian
napięcia zasilania (Uwe).
2. Wymaga się aby napięcie wyjściowe (UO) pozostawało stałe niezależnie od zmian
prądu obciążenia (IO).
1. Podstawowy układ parametrycznego stabilizatora napięcia
Rys. 1. Schemat stabilizatora parametrycznego.
Jeśli napięcie zasilania (Uwe) lub prąd obciążenia (IO) ulegają zmianie, napięcie wyjściowe
(UO) powinno pozostać stałe.
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
2
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
Rys. 1a. Stabilizator parametryczny. Graficzna analiza pracy.
Przykład 1
Rozważmy obwód z rys. 1, gdzie:
UZ = 6,2 [V]
R = 1 [k&!]
RO = 2 [k&!]
Uwe = 12 [V]
Chcemy wyznaczyć wartości: IR , IZ , IO .
RozwiÄ…zanie
U -U (12 - 6,2) [V ]
we Z
I = = = 5,8 Å"10-3[A] = 5,8 [mA]
R
R 1Å"103 [&!]
U 6,2 [V ]
Z
IO = = = 3,1Å"10-3 [A] = 3,1 [mA]
RO 2 Å"103[&!]
IZ = IR - IO = (5,8Å"10-3 - 3,1Å"10-3)[A] = 2,7 [mA]
Przykład 2
Rozważmy ten sam układ, przy zmianie napięcia wejściowego na Uwe = 20 [V].
Obliczamy IR , IZ , IO.
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
3
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
(20 - 6,2) [V ]
IR = = 13,8 Å"10-3[A] = 13,8 [mA]
1Å"103 [&!]
6,2 [V ]
IO = = 3,1Å"10-3 [A] = 3,1 [mA]
2 Å"103[&!]
IZ = (13,8 Å"10-3 - 3,1Å"10-3 )[A] = 10,7 [mA]
Przykład 3
Zmieniamy wartość RO z przykładu 1 na 1,5 [k&!]
Wyznaczamy IR , IZ , IO.
(12 - 6,2)[V ]
IR = = 5,8 Å"10-3[A] = 5,8 [mA]
1Å"103 [&!]
6,2 [V ]
IO = = 4,1Å"10-3[A] = 4,1 [mA]
1,5 Å"103 [&!]
IZ = (5,8 Å"10-3 - 4,1Å"10-3 ) [A] = 1,7 [mA]
Z powyższych trzech przykładów możemy zauważyć, że jeżeli napięcie zasilania lub
rezystancja obciążenia ulegają zmianie, to UO = UZ pozostaje bez zmian i wynosi 6,2 [V],
zmianie ulegają wartości prądów. Należy zauważyć, że istnieją ograniczenia na: IZmax oraz
IZmin.
Przykład 4
Diodę Dz o parametrach PZmax = 1 [W] oraz UZmin = 5,6 [V] zastosowano w przykładzie 1.
Wyznaczyć IZmax oraz IZmin.
PZmax = 1 [W] , UZ = 6,2 [V]
PZ max 1 [W ]
IZ max = = = 150 Å"10-3 [A] = 150 [mA]
U 6,2 [V ]
ZD
Jeżeli IZ > IZmax (150 mA), dioda Dz ulegnie uszkodzeniu (termicznemu).
" UZmin = 5,6 [V]
RO
UO = U Å"
we
R + RO
Jeżeli UZ < UZmin , dioda DZ nie może pracować jako stabilizator napięcia.
Mamy:
RO
5,6 [V ] = 12 [V ]Å"
1Å"103 [&!] + RO
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
4
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
5,6[V ]
RO = Å"1Å"103[&!] = 0,9 Å"103 &! = 0,9k&!
6,4[V ]
(12 - 5,6) [V ] 5,6 [V ]
IZ min = IR - IO = - = (6,4 Å"10-3 - 6,2 Å"10-3 )[A] = 0,2 Å"10-3 A = 0,2 [mA]
1Å"103[&!] 0,9 Å"103[&!]
2. Wymagania stawiane stabilizatorom napięcia
W tabeli A zestawiono wymagania stawiane stabilizatorom napięcia.
Tabela A
Wymaganie
1. Wahania napięcia zasilania (zmiana napięcia możliwe
na obciążeniu UO) odpowiadająca zmianom najmniejsze
napięcia na wejściu (Uwe) UO = f(Uwe)
2. Wahania obciążenia (zmiana napięcia na możliwe
obciążeniu UO) odpowiadająca zmianom prądu najmniejsze
na obciążeniu (IO) UO = f(IO)
3. Tętnienia możliwe
najmniejsze
4. Zabezpieczenie przed przekroczeniem wartości
prÄ…du (IO)
5. Dopuszczalny zakres napięcia wyjściowego
(UO)
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
5
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
B) Część eksperymentalna
Przebieg ćwiczenia
Badanie podstawowego układu stabilizatora napięcia
1. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2a i 2a1
a)
Rys.2. Schematy ideowe i pomiarowe podstawowego układu stabilizatora napięcia
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
6
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
2. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk Uo = f(Uwe) przy IO= const. (wartość IO regulowana
jest potencjometrem VR2).
Wykonać pomiary wedÅ‚ug tabel 1 ÷ 3.
Tabela 1
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 1 [mA]
Tabela 2
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 1,5 [mA]
Tabela 3
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 2 [mA]
3. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U0 = f(Uwe) przy IO = const.
(wg tabel 1 ÷ 3).
4. W sprawozdaniu określić wartości Uwemin dla Uo = 6,2 [V] dla różnych wartości prądu IO.
Lp. Uo = 6,2 [V] Uwemin
1 Io = 1 [mA]
2 Io = 1,5 [mA]
3 Io = 2 [mA]
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
7
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
5. Wyznaczyć rodziny charakterystyk: Uo = f(IO) przy Uwe= const.
Io = f(UO) przy Uwe= const.
Io + IZ = f(UO) przy Uwe= const.
Wykonać pomiary wedÅ‚ug tabel 4 ÷ 8.
Tabela 4
IO [mA] 0,75 1 2 4 6 8 10 15
UO [V]
I\we [mA]
IZ [mA]
dla Uwe = 7 [V]
Tabela 5
IO [mA] 0,75 1 2 4 6 8 10 15
UO [V]
I\we [mA]
IZ [mA]
dla Uwe = 9 [V]
Tabela 6
IO [mA] 0,75 1 2 4 6 8 10 15
UO [V]
I\we [mA]
IZ [mA]
dla Uwe = 12 [V]
Tabela 7
IO [mA] 0,75 1 2 4 6 8 10 15
UO [V]
I\we [mA]
IZ [mA]
dla Uwe = 14 [V]
Tabela 8
IO [mA] 0,75 1 2 4 6 8 10 15
UO [V]
I\we [mA]
IZ [mA]
dla Uwe = 18 [V]
6. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk UO = f(IO) przy Uwe = const.
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
8
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
7. Na wspólnym wykresie narysować charakterystyki:
Iwe = f(UO) przy Uwe = const. dla Uwe = 12V, 14V, 18V
Na wspólnych wykresach narysować charakterystyki:
Iwe = f(UO) przy Uwe = const.
IO = f(UO) przy Uwe = const.
IZ = f(UO) przy Uwe = const.
odpowiednio dla napięć wejściowych Uwe = 12, 14, 18 [V]
8. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2b i 2b1
9. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk Uo = f(Uwe) przy IO= const.
Wykonać pomiary wedÅ‚ug tabel 9 ÷ 11.
Tabela 9
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 1,5 [mA]
Tabela 10
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 2 [mA]
Tabela 11
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 2,5 [mA]
10. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U0 = f(Uwe) przy IO = const.
(wg tabel 9 ÷ 11).
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
9
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
11. W sprawozdaniu określić wartości Uwe min dla Uo = 10 [V] dla różnych wartości prądu IO.
Lp. Uo = 10 [V] Uwemin
1 IO = 1,5 [mA]
2 IO = 2 [mA]
3 IO = 2,5 [mA]
12. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk Uo = f(IO) przy Uwe= const.
Iz = f(IO) przy Uwe= const.
Wykonać pomiary wedÅ‚ug tabel 12 ÷ 14.
Tabela 12
IO [mA] 1 2 4 6 8 10 15
UO [V]
IZ [mA]
dla Uwe = 12 [V]
Tabela 13
IO [mA] 1 2 4 6 8 10 15
UO [V]
IZ [mA]
dla Uwe = 14 [V]
Tabela 14
IO [mA] 1 2 4 6 8 10 15
UO [V]
IZ [mA]
dla Uwe = 18 [V]
13. Na wspólnych wykresach narysować rodziny charakterystyk odpowiednio
Uo = f(IO) przy Uwe= const.
Iz = f(IO) przy Uwe= const.
14. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2c i 2c1
15. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk Uo = f(Uwe) przy IO= const.
Wykonać pomiary wedÅ‚ug tabel 15 ÷ 17.
Tabela 15
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 1,5 [mA]
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
10
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
Tabela 16
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 2 [mA]
Tabela 17
Uwe [V] 2,8 3 4 5 6 7 8
Uo [V]
9 10 12 14 16 18
dla I0 = 2,5 [mA]
16. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U0 = f(Uwe) przy IO = const.
(wg tabel 17 ÷ 19).
17. W sprawozdaniu określić wartości Uwe min dla Uo = 12,4 [V] dla różnych wartości
prÄ…du IO.
Lp. Uo = 12,4 [V] Uwe min
1 IO = 1,5 [mA]
2 IO = 2 [mA]
3 IO = 2,5 [mA]
18. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk Uo = f(IO) przy Uwe= const.
Wykonać pomiary wedÅ‚ug tabel 18 ÷ 20.
Tabela 18
IO [mA] 1,5 2 4 6 8 10 15
UO [V]
IZ [mA]
dla Uwe = 14 [V]
Tabela 19
IO [mA] 1,5 2 4 6 8 10 15
UO [V]
IZ [mA]
dla Uwe = 16 [V]
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
11
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
Tabela 20
IO [mA] 1,5 2 4 6 8 10 15
UO [V]
IZ [mA]
dla Uwe = 18 [V]
19. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk Uo = f(IO) przy Uwe= const.
(wg tabel 18 ÷ 20).
C) Podsumowanie i wnioski.
1. Na podstawie wykonanych pomiarów UO = f (Uwej ) (p.2, 9, 15) wyznaczyć
"I
wyj=0
współczynnik stabilizacji napięcia
"UO
K =
"Uwej "I
o=0
dla różnych wartości IO.
2. Na podstawie wykonanych pomiarów UO = f (IO ) (p. 5, 12, 18) obliczyć
"U
wej=0
wyjściową rezystancję dynamiczną
"UO
Rwyj =
"Io "Uwej=0
dla różnych wartości Uwej.
3. Na wspólnych wykresach narysować rodziny charakterystyk dla zależności:
" UO = f(Uwej) dla różnych wartości IO (p. 3, 10, 16),
" K = f(Uwej) dla różnych wartości IO,
" UO = f(IO) dla różnych wartości Uwej (p. 6, 13, 19),
" Rwy = f(IO) dla różnych wartości Uwej,
" IO + IZ = f(UO) przy Uwe = const. (p. 7),
" Iwe = f(UO) przy Uwe = const. (p. 7),
" IZ = f(IO) przy Uwe = const. (p. 13),
dla badanych układów stabilizatorów.
W sprawozdaniu należy także przedstawić obserwacje wynikające z realizacji punktów
11 i 17 oraz wnioski z wykreślonych rodzin charakterystyk (p. C 3).
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
12
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
D. Wyposażenie.
Elementy układu:
Stanowisko laboratoryjne KL-21001 .................................................................... szt. 1
Moduł laboratoryjny KL-23010 ............................................................................. szt. 1
Sprzęt pomiarowy:
Cyfrowy miernik uniwersalny ................................................................................ szt. 4
E. Literatura.
1. Basztura Czesław: ,,Elementy elektroniczne . Stow. Inż. i Techn. Mechaników,
1985
2. Kończak Sławomir: ,,Fizyczne podstawy elektroniki . Wydaw. Politechn. Śląskiej,
1994
3. Kusy Andrzej: ,,Podstawy elektroniki . Oficyna Wydaw. Politechn. Rzeszowskiej,
1996
4. Marcyniuk Andrzej: ,,Podstawy miernictwa . Wydaw. Politechn. ÅšlÄ…skiej, 2002
5. Nowaczyk Emilia: ,,Podstawy elektroniki . Oficyna Wydaw. Politechn. Wrocławskiej,
1995
6. Tietze, Schenk: ,,Układy półprzewodnikowe . Wydaw. Nauk.  Techn., 1996
7. Wawrzyński Wojciech: ,,Podstawy współczesnej elektroniki . Oficyna Wydaw.
Politechn. Warszawskiej, 2003
8. Wieland Jerzy: ,,Diody półprzewodnikowe . Wyższa Szkoła Morska, 1983
F. Zagadnienia do opracowania
1. Definicja stabilizatora oraz podstawowych parametrów (współczynnik stabilizacji
napięcia, współczynnik temperaturowy, rezystancja wyjściowa, sprawność
energetyczna).
2. Stabilizator parametryczny  schemat i graficzne wyjaśnienie działania.
3. Wpływ temperatury na pracę stabilizatorów i sposoby kompensacji tego wpływu.
4. Metody zabezpieczeń stabilizatorów przed przeciążeniem.
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
13
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.