- 1 -

Liniowe stabilizatory napi

ę

cia i pr

ą

du

1.

Wst

ę

p

Stabilizatory dzieli si

ę

według zasady działania na stabilizatory parametryczne oraz

kompensacyjne tzn. ze sprz

ęż

eniem zwrotnym. Stabilizatory kompensacyjne dzieli si

ę

na układy o

działaniu ci

ą

głym oraz o działaniu impulsowym. W obydwu tych grupach wyró

ż

nia si

ę

stabilizatory

szeregowe i równoległe. Stabilizatory parametryczne stosowane s

ą

w przypadku małych mocy

wyj

ś

ciowych lub jak stabilizatory pomocnicze. Cechuj

ą

si

ę

one mał

ą

sprawno

ś

ci

ą

, niezbyt dobrymi

parametrami oraz brakiem mo

ż

liwo

ś

ci regulacji stabilizowanego napi

ę

cia lub pr

ą

du wyj

ś

ciowego.

Parametry liniowego stabilizatora kompensacyjnego, a zwłaszcza sprawno

ść

, s

ą

znacznie lepsze ni

ż

stabilizatora parametrycznego.

Niniejsze

ć

wiczenie ma charakter projektowo-do

ś

wiadczalny i jego celem jest wykształcenie

umiej

ę

tno

ś

ci samodzielnego projektowania i realizacji praktycznej kompensacyjnych stabilizatorów o

działaniu ci

ą

głym w postaci aplikacji wybranych popularnych układów scalonych.

2.

Wprowadzenie. Stabilizatory kompensacyjne o pracy ci

ą

głej.

Zadaniem stabilizatorów napi

ę

cia lub pr

ą

du stałego jest dostarczenie do obci

ąż

enia

stabilizowanego napi

ę

cia lub pr

ą

du, którego warto

ść

w bardzo małym stopniu b

ę

dzie zale

ż

ała od

takich czynników jak zmieniaj

ą

ce si

ę

:

-

napi

ę

cie wej

ś

ciowe

U

I

±

∆

U

I

-

rezystancja obci

ąż

enia

R

L

±

∆

R

L

-

temperatura otoczenia

T

±

∆

T

oraz innych czynników zewn

ę

trznych, takich jak zmiany ci

ś

nienia i wilgotno

ś

ci powietrza

atmosferycznego, oraz odporno

ść

na działanie czynników chemicznych, a branych pod uwag

ę

wył

ą

cznie w zastosowaniach specjalnych.

Jednak wpływ wymienionych czynników zewn

ę

trznych oraz temperatury na warto

ś

ci

stabilizowanych napi

ęć

i pr

ą

dów wyj

ś

ciowych jest zazwyczaj do pomini

ę

cia w stosunku do zmian

wpływu napi

ę

cia wej

ś

ciowego i obci

ąż

enia w szczególno

ś

ci w scalonych stabilizatorach napi

ę

cia i

pr

ą

du. Mo

ż

na wówczas powiedzie

ć

,

ż

e napi

ę

cie wyj

ś

ciowe U

O

lub pr

ą

d wyj

ś

ciowy I

O

jest w głównej

mierze funkcj

ą

napi

ę

cia zasilaj

ą

cego U

I

i obci

ąż

enia R

L

(

)

(

)

L

I

O

L

I

O

R

U

f

I

R

U

f

U

,

,

=

=

(2.1)

Ró

ż

niczki zupełne tych funkcji maj

ą

te

ż

posta

ć

O

O

O

I

I

O

O

O

O

O

I

I

O

O

U

dU

dI

U

dU

dI

dI

I

dI

dU

U

dU

dU

dU

∆

⋅

+

∆

⋅

=

∆

⋅

+

∆

⋅

=

(2.2)

- 2 -

Stabilizator jest dwuwrotnikiem wł

ą

czonym pomi

ę

dzy

ź

ródło niestabilizowanego napi

ę

cia lub

pr

ą

du wej

ś

ciowego a obci

ąż

enie (rys. 2.1.)

R

I

E

I

±

∆

E

I

Stabilizator

U

I

±

∆

U

I

I

o

±

∆

I

o

I

I

±

∆

I

I

U

o

±

∆

U

o

R

L

Rys. 2.1. Stabilizator w warunkach roboczych.

Rozwa

ż

ane w

ć

wiczeniu stabilizatory sterowane o działaniu ci

ą

głym (Kompensacyjne) działaj

ą

dzi

ę

ki regulacji stałopr

ą

dowej rezystancji elementu regulacyjnego (Tranzystora) sygnałem zwrotnym,

uzale

ż

nionym od ró

ż

nicy napi

ę

cia lub pr

ą

du wyj

ś

ciowego i napi

ę

cia odniesienia (Referencyjnego).

Ta ogólna zasada działania sterowanych stabilizatorów została pokazana na poni

ż

szym rysunku.

Ź

ródło napi

ę

cia

odniesienia

U

REF

γγγγ

ΣΣΣΣ

Wzmacniacz

bł

ę

du

K

U

Wzmacniacz pr

ą

du

stałego

K

U

= 1

R

L

R

O

O

G

m

=

I

o

/(K

U

⋅

U

B

)

I

o

U

o

Napi

ę

cie

Bł

ę

du

U

B

Rys. 2.2. Schemat blokowy i zasada działania stabilizatora kompensacyjnego

Na podstawie schematu blokowego stabilizatora z rys. 2.2, zgodnie z teori

ą

sprz

ęż

enia

zwrotnego, mo

ż

na zapisa

ć

nast

ę

puj

ą

ce wyra

ż

enia opisuj

ą

ce:

Rezystancj

ę

wyj

ś

ciow

ą

-

R

ƒƒƒƒ

O

γ

U

O

fO

K

R

R

+

=

1

(2.3)

Napi

ę

cie na wyj

ś

ciu stabilizatora -

U

O

L

m

U

L

m

U

REF

O

R

G

K

R

G

K

U

U

γ

+

=

1

, je

ś

li przyjmiemy,

ż

e K

U

→

∞

, czyli













+

∞

→

L

m

U

L

m

U

REF

K

R

G

K

R

G

K

U

U

γ

1

lim

,

wówczas

γ

1

REF

O

U

U

=

(2.4)

- 3 -

W przypadku stabilizatora pr

ą

du w układzie jak na rys.2.2, wyra

ż

enie opisuj

ą

ce zale

ż

no

ść

pr

ą

du stabilizowanego

I

O

na wyj

ś

ciu ma posta

ć

O

m

U

m

U

REF

O

R

G

K

G

K

U

I

γ

+

=

1

, je

ś

li równie

ż

przyjmiemy,

ż

e K

U

→

∞

, a wi

ę

c













+

∞

→

O

m

U

m

U

REF

K

R

G

K

G

K

U

U

γ

1

lim

,

wówczas

O

REF

O

R

U

I

γ

1

=

(2.5)

Zale

ż

no

ść

jest prawdziwa dla napi

ę

cia U

REF

b

ę

d

ą

cego w tym układzie napi

ę

ciem odniesienia

wzgl

ę

dem potencjału punktu „O”

W praktycznej realizacji układowej stabilizatora blok K

U

i

ΣΣΣΣ

zgodnie z rys. 2.2

(linia przerywana), stanowi napi

ę

ciowy wzmacniacz ró

ż

nicowy lub operacyjny z wej

ś

ciem

symetrycznym.

R

L

U

O

U

I

I

O

U

O

U

I

I

O

R

fO

(U

I

-U

O

) -

DROPOUT

I

Zakres

przeci

ąż

enia

Zakres stabilizacji

Stabilizator

∆

I

O

∆

U

O

Rys. 2.3. Charakterystyka wyj

ś

ciowa stabilizatora napi

ę

cia w warunkach roboczych.

Podstawowe parametry stabilizatora s

ą

zwi

ą

zane z jego charakterystyk

ą

wyj

ś

ciow

ą

obrazuj

ą

c

ą

zale

ż

no

ść

napi

ę

cia wyj

ś

ciowego U

O

od pr

ą

du obci

ąż

enia I

O

(przy stałym napi

ę

ciu

wej

ś

ciowym U

I

). W typowej charakterystyce stabilizatora wyodr

ę

bnia si

ę

-

zakres stabilizacji (normalnej pracy)

-

zakres przeci

ąż

enia

W zakresie przeci

ąż

enia wyst

ę

puje znaczna zale

ż

no

ść

napi

ę

cia od pr

ą

du, tzn. zanikaj

ą

wła

ś

ciwo

ś

ci

stabilizuj

ą

ce układu, ponadto mo

ż

e znacznie powi

ę

kszy

ć

si

ę

moc wydzielana w szeregowym

elemencie regulacyjnym, co grozi jego uszkodzeniem. Obecnie stosuje si

ę

cz

ę

sto układy dodatkowe

modyfikuj

ą

ce charakterystyk

ę

U

O

(I

O

) w taki sposób,

ż

e poza zakresem stabilizacji moc wydzielana w

układzie stabilizatora nie powi

ę

ksza si

ę

w ogóle lub powi

ę

ksza si

ę

umiarkowanie (

FoldBack

lub

Safe Operation Area Protection Circuit

) - rys. 3.4.

Podstawowe parametry stabilizatora to:

U

0

– nominalne ( znamionowe ) napi

ę

cie stabilizacji

U

REF

– napi

ę

cie odniesienia ( dioda zenera,

ź

ródło typu band-gap, przetwornik C/A )

I

0max

,

I

K

– maksymalny pr

ą

d wyj

ś

ciowy w zakresie stabilizacji

- 4 -

I

z

– pr

ą

d zwarcia

S

U

=

∆∆∆∆

U

I

/

∆∆∆∆

U

O

– współczynnik stabilizacji napi

ę

cia od zmian napi

ę

cia wej

ś

ciowego

S

RL

=

∆∆∆∆

U

O

/ U

O

– współczynnik stabilizacji napi

ę

cia od zmian obci

ąż

enia

R

fO

= |

∆∆∆∆

U

O

/

∆∆∆∆

I

O

|

– rezystancja wyj

ś

ciowa

ηηηη

= (U

O

I

O

)/(U

I

I

I

)

– sprawno

ść

energetyczna

(U

I

- U

O

)

min

– minimalna ró

ż

nica napi

ęć

pomi

ę

dzy wej

ś

ciem i wyj

ś

ciem niezb

ę

dna

do stabilizacji napi

ę

cia wyj

ś

ciowego w warunkach pełnych zmian obci

ąż

enia ( DropOut )

(U

I

- U

O

)

max

– maksymalna ró

ż

nica napi

ęć

pomi

ę

dzy wej

ś

ciem i wyj

ś

ciem nie powoduj

ą

ca

zniszczenia elementu regulacyjnego w warunkach pełnego obci

ąż

enia

R

O,

R

S

– rezystancja wyj

ś

ciowa stabilizatora z otwart

ą

p

ę

tl

ą

sprz

ęż

enia zwrotnego, rezystancja

szeregowa „próbkuj

ą

ca” zmiany napi

ę

cia wywołane zmianami pr

ą

du obci

ąż

enia

R

L

– rezystancja obci

ąż

enia

G

m

– transkonduktancja elementu regulacyjnego ( tranzystora mocy, wzmacniacza pr

ą

dowego )

definiowana jako

I

c

/U

be

, I

D

/U

gs

γγγγ

– współczynnik sprz

ęż

enia ( zwrotnego podziału napi

ę

cia – pr

ą

du wyj

ś

ciowego wzgl

ę

dem

napi

ę

cia odniesienia ), decyduje o warto

ś

ci napi

ę

cia lub pr

ą

du stabilizowanego na wyj

ś

ciu

3.

Rozwi

ą

zania układowe i projektowanie kompensacyjnych stabilizatorów liniowych.

Zgodnie z rys. 2.2, na którym przedstawiono ogólny schemat blokowy stabilizatora

kompensacyjnego, stabilizatory mo

ż

emy podzieli

ć

ze wzgl

ę

du na rodzaj ujemnego sprz

ęż

enia

zwrotnego, a wi

ę

c sposób jego realizacji b

ą

d

ź

za pomoc

ą

wzmacniacza bł

ę

du (sygnał zwrotny

podawany jest na wej

ś

cie ró

ż

nicowe ze znakiem minus „

−−−−

”, natomiast element regulacyjny pracuje w

układzie OC lub OD) - układy klasyczne, b

ą

d

ź

za pomoc

ą

inwertera w postaci elementu regulacyjnego

(sygnał zwrotny podawany jest na wej

ś

cie ró

ż

nicowe ze znakiem minus „

+

”, natomiast element

regulacyjny pracuje w układzie OE lub OS) - układy o małym spadku napi

ę

cia pomi

ę

dzy wej

ś

ciem i

wyj

ś

ciem (

Low DropOut

). Podziału stabilizatorów dokonuje si

ę

równie

ż

ze wzgl

ę

du na sposób

sterowania za pomoc

ą

elementu regulacyjnego jak to pokazano na rys. 3.2, z zachowaniem ujemnego

sprz

ęż

enia zwrotnego w p

ę

tli.

Na rys. 3.1, pokazano najwa

ż

niejsze powszechnie stosowane układy liniowych stabilizatorów

napi

ę

cia realizowane, w postaci monolitycznych układów scalonych, b

ą

d

ź

na elementach dyskretnych

z wykorzystaniem scalonych

ź

ródeł napi

ę

cia odniesienia (np.: 1N821, TL431, LM385, LM399). Układy

stabilizatorów z rys. 3.1 (a) i (b) znalazły szczególne zastosowanie w tzw. 3-ko

ń

cówkowych

programowanych stabilizatorach napi

ę

cia lub pr

ą

du, w których płynn

ą

lub skokow

ą

regulacj

ę

napi

ę

cia

mo

ż

emy uzyska

ć

poprzez zmian

ę

rezystancji R

2

, w zakresie od 0

Ω

do warto

ś

ci przy której ró

ż

nica

(U

I

- U

O

) jest wi

ę

ksza od (U

I

- U

O

)

min

. Dzi

ę

ki „rezystancji programuj

ą

cej R

2

” wł

ą

czonej pomi

ę

dzy mas

ę

a stabilizator mo

ż

liwe jest np. cyfrowe ustalanie napi

ę

cia wyj

ś

ciowego za pomoc

ą

kluczy

tranzystorowych, co ma szczególne zastosowanie w zasilaniu urz

ą

dze

ń

bezpo

ś

rednio sterownych

mikrokontrolerami jednoukładowymi. Nale

ż

y przede wszystkim wymieni

ć

tu kilka popularnych układów

monolitycznych LM78xx, LM317, LM350, MC33269, oraz programowany stabilizator 5-ko

ń

cówkowy

L200 pracuj

ą

cy w układzie jak na rys. 3.1 (c), w którym płynn

ą

regulacje napi

ę

cia uzyskuje si

ę

dzi

ę

ki

- 5 -

zmianom warto

ś

ci rezystancji R

1

. Na rys. 3.1 (d) przedstawiono podstawowy układ stabilizatora o

małym spadku napi

ę

cia pomi

ę

dzy wej

ś

ciem i wyj

ś

ciem (stabilizator LDO). Poza wymienionym

„dedykowanymi” układami liniowych stabilizatorów, produkowane s

ą

równie

ż

tzw. uniwersalne

monolityczne stabilizatory napi

ę

cia lub pr

ą

du, zawieraj

ą

ce: (i) skompensowane

ź

ródło napi

ę

cia

odniesienia, (ii) wzmacniacz bł

ę

du i (iii) układ zabezpieczenia nad pr

ą

dowego, b

ą

d

ź

stabilizator pr

ą

du

w postaci dodatkowego wzmacniacza - komparatora. Nale

ż

y tu w szczególno

ś

ci wymieni

ć

popularny

stabilizator monolityczny uA723. W oparciu o układy scalonych stabilizatorów uniwersalnych,

realizowane s

ą

najcz

ęś

ciej, układy stabilizatorów pokazane na rys. 3.1 (c) i (d). W celu realizacji

aplikacji układu stabilizatora ze stabilizatorem uniwersalnym najcz

ęś

ciej konieczne jest zastosowanie

zewn

ę

trznego dyskretnego tranzystora mocy BJT lub MOSFET jako elementu regulacyjnego.

Przyjmuj

ą

c,

ż

e blok

γγγγ

zgodnie z rys. 2.2, stanowi zewn

ę

trzny dzielnik napi

ę

cia R

1

, R

2

w

układach jak na rys. 3.1, mo

ż

emy zapisa

ć

odpowiednie wyra

ż

enia zgodnie ze wzorem (2.4), opisuj

ą

ce

zale

ż

no

ść

stabilizowanego napi

ę

cia wyj

ś

ciowego U

O

od napi

ę

cia odniesienia U

REF

. Zale

ż

no

ś

ci te

podano na schematach poszczególnych układów stabilizatorów.

a)

b)

0

R

1

0

T

IRF540

R

2

R

L

U

REF

I

s

U

I

U

o

U

REF













+

=

1

2

1

R

R

U

U

REF

O

0

R

1

0

T

IRF540

R

2

Is

U

REF

U

o

R

L

U

I

U

REF













+

=

1

2

1

R

R

U

U

REF

O

c)

d)

0

R

1

0

T

IRF540

R

2

Is

U

REF

U

o

R

L

U

I

U

REF













+

=

2

1

1

R

R

U

U

REF

O

0

R

1

0

T

IRF9540

R

2

Is

U

REF

U

o

R

L

U

I

U

REF













+

=

2

1

1

R

R

U

U

REF

O

Rys. 3.1. Podstawowe układy liniowych kompensacyjnych stabilizatorów napi

ę

cia. (a), (b) i (c) układy stabilizatorów

wtórnikowych, oraz (d) stabilizator typu LDO.

- 6 -

A

Q1

1

B

Q1

1

C

Q1

1

Q2

D

Q1

1

Q3

Rys. 3.2. Elementy regulacyjne - podstawowe sposoby sterowania wyj

ś

ciem stabilizatora.

W tabeli 3.1, zestawiono własno

ś

ci poszczególnych układów sterownia elementami

regulacyjnymi i elementów regulacyjnych pokazanych na rys. 3.2, w układach kompensacyjnych

stabilizatorów liniowych.

Tabel. 3.1 Podstawowe własno

ś

ci układów sterowania elementami regulacyjnymi z rys. 3.2.

Układ sterowania

A

B

C

D

U

DROPOUT [min]

> U

BE

U

CEsat

< 0.2V

U

CEsat

< 0.2V

U

CEsat PNP

+ U

BE NPN

< 1.5V

Impedancja

wyj

ś

ciowa

Niska

Wysoka

Wysoka

Wysoka

Pasmo

Szerokie

W

ą

skie

W

ą

skie

W

ą

skie

Stabilno

ść

Bezwzgl

ę

dna

Warunkowa

zale

ż

na od C

L

Warunkowa

zale

ż

na od C

L

Warunkowa

zale

ż

na od C

L

Rodzaj

sterowania

obci

ąż

eniem

Wtórnik

Inwerter

Podwójny

Inwerter

Inwerter

Stabilizator pr

ą

du w najprostszy sposób mo

ż

na zrealizowa

ć

, poprzez wykorzystanie

istniej

ą

cego ju

ż

3-ko

ń

cówkowego stabilizatora napi

ę

cia, w którym pomi

ę

dzy wyj

ś

cie, a mas

ę

stabilizatora (ko

ń

cówka

GND

lub

ADJ

) wł

ą

czony jest rezystor R

O

lub R

S

próbkuj

ą

cy przepływaj

ą

cy

pr

ą

d jak to pokazano na rys. 3.3.

Stabilizator U

o

ADJ

R

O

R

L

I

O

= const

U

o

O

O

O

R

U

I

=

R

1

0

T

R

2

R

O

U

REF

I

s

U

o

U

REF













+

=

1

2

1

R

R

R

U

I

O

REF

O

I

o

I

o

R

L

Rys. 3.3. Układ stabilizatora pr

ą

du (a) z wykorzystaniem stabilizatora napi

ę

cia, (b) ideowy schemat równowa

ż

ny.

- 7 -

Rozwi

ą

zanie to umo

ż

liwia w prosty sposób realizacj

ę

stabilizatorów pr

ą

du z wykorzystaniem topologii

układowych z rys. 3.1 (a) i (b) scalonych 3-ko

ń

cówkowych stabilizatorów napi

ę

cia. W przypadku

układów stabilizatorów, w których napi

ę

cie odniesienia U

REF

podł

ą

czone jest pomi

ę

dzy „mas

ę

” układu

scalonego i wej

ś

cie wzmacniacza bł

ę

du (rys. 3.1 (c)) jak przypadku układów L200, czy stabilizatora

uniwersalnego uA723, najcz

ęś

ciej w celu zabezpieczenia nad pr

ą

dowego lub przej

ś

cia układu w

stabilizacj

ę

pr

ą

du stosuje si

ę

dodatkowy układ ze wzmacniaczem bł

ę

du w posta

ć

pojedynczego

tranzystora lub WO. Na rys. 3.4, pokazano dwa równowa

ż

ne sposoby realizacji układów stabilizacji

pr

ą

du w których uzyskuje si

ę

zmniejszenie pr

ą

du obci

ąż

enia przy zmniejszeniu rezystancji obci

ąż

enia

(

FoldBack

), a wi

ę

c o charakterystyce jak na rys. 3.5. W układzie tym w odró

ż

nieniu od klasycznych

stabilizatorów pr

ą

du, poza rezystorem pomiarowym R

O

znajduje si

ę

dodatkowy dzielnik napi

ę

cia

zbudowany na rezystorach R

4

i R

5

.

0

R

1

0

T

R

2

Is

U

REF

U

o

R

L

U

I

U

REF

R

o

R

4

R

5

I

o

U

BE

= U

SENSE

0

R

1

0

T

R

2

Is

U

REF

U

o

R

L

U

I

U

REF

R

o

R

4

R

5

I

o

U

SENSE

Rys. 3.4. Układy stabilizatorów z układem stabilizacji pr

ą

du ze zmniejszonym pr

ą

dem zwarciowym.

I

U

I

max

= I

K

U

O

I

Z

Rys. 3.5. Charakterystyka pr

ą

dowo-napi

ę

ciowa układów z rys. 3.4.

Analizuj

ą

c prac

ę

obu układów nale

ż

y podkre

ś

li

ć

,

ż

e do uzyskania takiej samej warto

ś

ci pr

ą

du

I

O

= I

K

jak w układzie klasycznym w którym R

5

→

∞

spadek napi

ę

cia na rezystorze R

O

musi by

ć

wi

ę

kszy od warto

ś

ci napi

ę

cia panuj

ą

cego na rezystorze R

4

.

Wynika st

ą

d,

ż

e rezystancja próbkuj

ą

ca

R

O

musi wi

ę

c by

ć

wi

ę

ksza !

Stosuj

ą

c układ z ograniczeniem pr

ą

du typu

FoldBack

pokazany na rys.

3.4, nie nale

ż

y przyjmowa

ć

zbyt du

ż

ego stosunku

I

K

/

I

Z

,

poniewa

ż

prowadzi to do wyra

ź

nego

pogorszenia sprawno

ś

ci stabilizatora (w szczególno

ś

ci w układach stabilizatorów niskich napi

ęć

),

- 8 -

powi

ę

kszonych strat mocy w rezystorze R

O

i pogorszeniu si

ę

współczynnika stabilno

ś

ci od zmian

obci

ąż

enia.

Poni

ż

ej podano odpowiednie zale

ż

no

ś

ci do obliczania (syntezy i analizy) układów

ograniczenia i stabilizacji pr

ą

du z rys. 3.4. Aby unikn

ąć

zadziałania układu przy pr

ą

dach ni

ż

szych ni

ż

znamionowy nale

ż

y sprawdzi

ć

, czy warunek I

MAX

/I

Z

> 1, jest spełniony w całym zakresie napi

ęć

wyj

ś

ciowych U

O

(stabilizator regulowany) i pr

ą

dów, oraz temperatur elementu regulacyjnego. Ponadto

w celu wydatnego zmniejszenia strat, jakie powstały przy obci

ąż

eniu znamionowym w rezystorze R

O

,

gdy jest du

ż

y stosunek I

MAX

/I

Z

, korzystne jest zmodyfikowanie układu. Przy obni

ż

eniu rezystancji R

O

,

poci

ą

ga to jednak za sob

ą

konieczno

ść

zmiany I

Z,

a tym samym zmiany stosunku I

MAX

/I

Z

. Zmniejszenie

rezystancji R

O

, przy zachowaniu takiego samego stosunku I

MAX

/I

Z

jest mo

ż

liwe tylko i wył

ą

cznie

poprzez obni

ż

enie napi

ę

cia U

SENSE

.

Z

Z

K

O

SENSE

SENSE

O

I

I

I

U

U

U

R

1

1

1



























−

−

=

(2.1)

O

SENSE

O

K

O

O

SENSE

Z

U

U

R

I

U

R

U

I

+

+

=

(2.3)













−

−













−

=

1

1

1

5

4

Z

K

O

SENSE

Z

K

O

SENSE

I

I

U

U

I

I

U

U

R

R

(2.2)

(

)

5

4

5

4

1

R

U

U

R

R

R

I

I

SENSE

O

K

Z

+













+

+

=

(2.4)

W scalonych stabilizatorach napi

ę

cia cz

ę

sto stosuje si

ę

taki sposób ograniczenia pr

ą

du

wyj

ś

ciowego,

ż

e poza zakresem stabilizacji moc wydzielana w układzie stabilizatora powi

ę

ksza si

ę

umiarkowanie lub nie powi

ę

ksza si

ę

dzi

ę

ki zastosowanej automatycznej regulacji wewn

ę

trznego

napi

ę

cia odniesienia U

sense,

np. w zale

ż

no

ś

ci od wydzielanej temperatury zwi

ą

zanej ze wzrostem mocy

traconej. Jednym z niewielu produkowanych na

ś

wiecie stabilizatorów monolitycznych z układem

zabezpieczenia pr

ą

dowego, nadnapi

ę

ciowego i termicznego, oraz automatyczn

ą

regulacj

ą

mocy

traconej jest układ L200.

- 9 -

4.

Badane układy

4.1.

Stabilizator napi

ę

cia i pr

ą

du z układem scalonym L200

Układ scalony L200 zaproponowany przez firm

ę

SGS-Thomson jest monolitycznym

stabilizatorem napi

ę

cia i pr

ą

du. Podstawowe wła

ś

ciwo

ś

ci stabilizatora L200 to płynnie regulowane

napi

ę

cie wyj

ś

ciowe

U

O

od 2.75V do 30V (za pomoc

ą

pojedynczego rezystora), ustawiane

zabezpieczenie pr

ą

dowe, lub mo

ż

liwo

ść

regulacji płynnej pr

ą

du wyj

ś

ciowego

I

O

od ok. 20mA do 2A za

pomoc

ą

zewn

ę

trznego inwertera w postaci pojedynczego WO. Ponadto układ L200 wyposa

ż

ony

został przez konstruktorów w szereg zabezpiecze

ń

takich jak: ogranicznik pr

ą

du

I

Omax

= 2A, mocy

traconej (zgodnie z wykresem SOA – karta katalogowa), wył

ą

cznik termiczny 150

°

C, zabezpieczenie

przed zbyt wysokim napi

ę

ciem wej

ś

ciowym (do 60V przez 10ms) i ró

ż

nic

ą

napi

ęć

pomi

ę

dzy wej

ś

ciem

i wyj

ś

ciem wi

ę

ksz

ą

ni

ż

33V, które czyni

ą

go teoretycznie niezawodnym i eliminuj

ą

w praktyce potrzeb

ę

realizacji szeregu układów zabezpieczaj

ą

cych i posiadania całej gammy scalonych stabilizatorów

napi

ęć

stałych.

a)

b)

Ź

RÓDŁO

PRĄDOWE

Ź

RÓDŁO

NAPIĘCIA

REFERENCYJNEGO

WZMACNIACZ

BŁEDU

ELEMENT

REGULACYJNY

ZABEZPIECZENIE

SOA

KOMPARATOR

NAPIĘCIA

CZUJNIK

TERMICZNY

1 –

WEJŚCIE

5 –

WYJŚCIE

4 –

NAPIĘCIE

ODNIESIENIA

3 –

MASA

2 –

OGRANICZENIE

PRĄDOWE

5

4

3

2

1

Rys. 4.1.1. a) Schemat blokowy i b) opis wyprowadze

ń

„widok z góry” układu scalonego L200.

Tab. 4.1.1. Podstawowe parametry charakterystyczne scalonego stabilizatora L200

Warto

ś

ci

Symbol

Parametr

Warunki
pomiaru

Min

Typ

Max

Jedn.

Stabilizator napi

ę

cia T = 25

°°°°

C

U

o

Zakres napi

ęć

wyj

ś

ciowych

I

o

= 10mA

2.85

<>

36

V

∆∆∆∆

U

o

/U

o

Współczynnik stabilizacji napi

ę

cia wyj

ś

ciowego

od zmian obci

ąż

enia

I

min

= 10mA

I

max

= 1,5A

0.1

0.15

1

%

∆∆∆∆

U

o

/

∆∆∆∆

U

I

Współczynnik stabilizacji napi

ę

cia wyj

ś

ciowego

od zmian napi

ę

cia wej

ś

ciowego

U

I

= 8...20V

U

o

= 5V

0.1

<>

0.39

%

U

o

- U

I

Spadek napi

ę

cia pomi

ę

dzy wej

ś

ciem i wyj

ś

ciem

układu (pin 1 i 5)

I

o

= 1.5A

2

2.5

3

V

Z

o

Impedancja wyj

ś

ciowa

U

I

= 10V, U

o

= U

REF

I

o

= 500mA

F = 100Hz

1.5

1.5

3

m

Ω

Stabilizator pr

ą

du T = 25

°°°°

C

U

SC

Wewn

ę

trzne napi

ę

cie odniesienia

komparatora-ogranicznika pr

ą

du (pin 2 i 5)

U

I

= 10V, U

o

= U

REF

I

o

= 100mA

0.38

0.45

0.52

V

I

SC

Szczytowy pr

ą

d zwarcia

U

I

– U

o

= 14V

(pomi

ę

dzy pin 2 i 5

wł

ą

czono R

SC

< 0.01

Ω

)

<

<

3.5

A

∆∆∆∆

I

o

/I

o

Współczynnik stabilizacji pr

ą

du wyj

ś

ciowego od

zmian obci

ąż

enia

I

O

±∆

I

O

I

O

= 1A,

∆

I

O

= 1A

0.9

1

1.5

%

- 10 -

4.1.1. Stabilizator napi

ę

cia z ograniczeniem pr

ą

dowym z układem scalonym L200.

Rozwi

ą

zanie układowe.

Na rys. 4.1.1.1. przedstawiono schemat ideowy stabilizatora napi

ę

cia w postaci podstawowej

aplikacji układu scalonego L200. W układzie tym mo

ż

na programowa

ć

lub regulowa

ć

w sposób ci

ą

gły

za pomoc

ą

rezystora

5

R

stabilizowane napi

ę

cie wyj

ś

ciowe

O

U

zgodnie z zale

ż

no

ś

ci

ą

REF

O

U

R

R

U













+

=

6

5

1

(4.1.1.1)

w zakresie

(

)

BE

REF

I

O

REF

U

U

U

U

U

−

−

<

<

. W układzie tym pomi

ę

dzy ko

ń

cówk

ą

3 i 4 a wi

ę

c na

rezystorze

6

R

panuje napi

ę

cie referencyjne

REF

U

- rozwi

ą

zanie układowe z rys. 3.1 (c). Natomiast

maksymalny pr

ą

d wyj

ś

ciowy w tym konkretnym przypadku jest ograniczony do warto

ś

ci zgodnie ze

schematem rys. 4.1.1.1

Ω

=

=

47

.

0

45

.

0

4

max

V

R

U

I

SC

O

(4.1.1.2)

a wi

ę

c zdeterminowany jest warto

ś

ci

ą

rezystora próbkuj

ą

cego

4

R

. Zgodnie z karta katalogow

ą

układu L200 rezystor

6

R

mo

ż

e przyjmowa

ć

warto

ś

ci z zakresu od 330

Ω

do 1.5k

Ω

. Projektowanie

stabilizatora w aplikacji jak na rys. 4.1.1.1, sprowadza si

ę

do wyznaczenia stosunku rezystancji

5

R

/

6

R

zgodzie zale

ż

no

ś

ci

ą

(4.1.1.1), oraz wyznaczenia sumy rezystancji

6

5

R

R

+

, co umo

ż

liwi wyznaczenie

konkretnych warto

ś

ci

5

R

i

6

R

, przyjmuj

ą

c okre

ś

lony pr

ą

d dzielnika napi

ę

ciowego (spoczynkowy) od

4mA do 9mA. Rezystancje

5

R

i

6

R

mo

ż

na równie

ż

wyznaczy

ć

z zale

ż

no

ś

ci (4.1.1.1), przyjmuj

ą

c

zalecane warto

ś

ci

6

R

podane przez producenta w zale

ż

no

ś

ci od napi

ę

cia wyj

ś

ciowego jak to

pokazano w tabeli

U

o

±±±±

20%

R

6

±±±±

5%

5V

1.5k

Ω

Ω

Ω

Ω

12V

1k

Ω

Ω

Ω

Ω

15V

750

Ω

Ω

Ω

Ω

18V

330

Ω

Ω

Ω

Ω

24V

510

Ω

Ω

Ω

Ω

W przypadku gdy chcemy aby napi

ę

cie wyj

ś

ciowe było płynnie regulowane za pomoc

ą

5

R

, to

6

R

ma

ustalon

ą

optymaln

ą

warto

ść

podan

ą

przez producenta równ

ą

820

Ω

.

R4

0.47

R6

*

0

0

R5

*

IC1
L200C

1

5

3

4

2

IN

O

U

T

G

N

D

V

R

E

F

LIM

JP2

OUT

1
2
3
4

0

0

+

C3

220u/50

C2

220n

JP1

IN

1
2
3
4

0

0

0

+

C1

1000u/50

Rys. 4.1.1.1. Schemat ideowy programowanego stabilizatora napi

ę

cia z zabezpieczeniem pr

ą

dowym z układem scalonym L200.

- 11 -

4.1.2. Regulowany stabilizator napi

ę

cia i pr

ą

du z układem scalonym L200. Rozwi

ą

zanie

układowe i projektowanie.

W celu jednoczesnej realizacji regulowanego stabilizatora napi

ę

cia i pr

ą

du z układem L200 w

układzie tzw. p

ę

tli pr

ą

dowej L200, zastosowano WO pracuj

ą

cy w układzie inwertera asymetrycznego

jak na rys. 4.1.2.1. Inwerter ten stanowi

ą

rezystory R

2

i R

3

, oraz WO LM741 zasilany asymetrycznie

(rys. 4.1.2.2). Przepływaj

ą

cy pr

ą

d przez rezystor próbkuj

ą

cy R

4

, powoduje na nim spadek napi

ę

cia

równy

4

R

I

O

. Spadek ten jest równy spadkowi napi

ę

cia na R

3

ze znakiem przeciwnym

3

4

R

I

R

I

SC

O

−

=

.

W oczku R

1

, R

2

i R

3

suma spadków napi

ęć

jest równa 0V. Na tej podstawie mo

ż

emy zapisa

ć

nast

ę

puj

ą

ce równanie

0

2

3

=

+

+

SC

SC

SC

U

R

I

R

I

. Podstawiaj

ą

c za

3

4

R

R

I

I

O

SC

−

=

, otrzymujemy ostatecznie













+

=

1

3

2

4

R

R

R

U

I

SC

O

(4.1.2.1)

Pomi

ę

dzy ko

ń

cówkami 2 i 5 układu scalonego L200 powstaje spadek napi

ę

cia U

SC

zale

ż

ny od

stosunku rezystancji R

2

/R

3

i pr

ą

du obci

ąż

enia Io. Je

ż

eli przy danym pr

ą

dzie obci

ąż

enia płyn

ą

cym

przez R4 stosunek warto

ś

ci rezystancji R

2

/R

3

jest tak dobrany,

ż

e

45

.

0

1

3

2

4

>













+

R

R

R

I

O

V , w temperaturze 300K,

to zwi

ę

kszanie napi

ę

cia wyj

ś

ciowego (np. za pomoc

ą

R5) przy tej samej rezystancji R

O

obci

ąż

enia

podł

ą

czonej do zacisków wyj

ś

ciowych JP2 nie spowoduje wzrostu pr

ą

du, poniewa

ż

I

o

jest

stabilizowany.

R0

10

0

+

C3

220u/50

0

+

-

IC2
LM741

3

2

6

7

4

JP1

IN

1
2
3
4

0

0

R4

0.47

C2

220n

R3

120

0

0

R1

1k

R6

820

JP2

OUT

1
2
3
4

IC1
L200C

1

5

3

4

2

IN

O

U

T

G

N

D

V

R

E

F

LIM

0

0

R2

100k

R5

4.7k

+

C1

1000u/50

Rys. 4.1.2.1. Schemat ideowy regulowanego stabilizatora napi

ę

cia i pr

ą

du z układem scalonym L200.

- 12 -

Rys. 4.1.2.2. Schemat inwertera pracuj

ą

cego w p

ę

tli pr

ą

dowej ze stabilizatorem L200.

R

2

[

Ω

]

0

0.1K

0.2K

0.3K

0.4K

0.5K

0.6K

0.7K

0.8K

0.9K

1.0K

1.1K

1.2K

1.3K

1.4K

1.5K

0V

100

200

300

400

500

I

O

= 300mA

400mA

500mA

I

O

= 1A

600mA

800mA

U

SC

nom

Rys. 4.1.2.3. Charakterystyki inwertera z rys. 4.1.2.2. Warto

ś

ci rezystancji przyj

ę

to odpowiednio

R

4

= 0.1

Ω

, R

3

= 100

Ω

, R

1

= 1k na podstawie karty katalogowej firmy SGS -Thomson.

Projekt programowanego lub regulowanego stabilizatora napi

ę

cia i pr

ą

du z układem L200

sprowadza si

ę

odpowiednio do obliczenia warto

ś

ci rezystorów R

6

i R

5

układu stabilizatora napi

ę

cia

zgodnie z procedur

ą

podana w pkt. 4.1.1. i zaprojektowania inwertera ze WO (LM741, TL061 lub

podobne) zgodnie z wyprowadzonymi zale

ż

no

ś

ciami w pkt. 4.1.2. W ostatnim przypadku projektu

stabilizatora pr

ą

du nale

ż

y obliczy

ć

warto

ść

rezystancji R3 przyjmuj

ą

c,

ż

e warto

ść

maksymalna

rezystancji nastawnej R2 (pr

ą

d minimalny) jest wcze

ś

niej znana i dodatkowo podany jest zakres

regulacji pr

ą

du wyj

ś

ciowego I

Omin

...I

Omax

. Gdy R

2

= 0, to pr

ą

d stabilizowany jest równy I

Omax

= U

SC

/R

4

.

Przy projektowaniu mo

ż

na równie

ż

przyj

ąć

ustalon

ą

warto

ść

rezystora R

3

z zakresu od 100

Ω

do

500

Ω

, a R

2

obliczamy dla zadanej górnej warto

ś

ci pr

ą

du, który b

ę

dzie pr

ą

dem stabilizowanym. Małe

warto

ś

ci rezystancji R

3

przyjmujemy wówczas gdy chcemy regulowa

ć

pr

ą

d w zakresie od warto

ś

ci

minimalnej do ok. 200mA, natomiast w przypadku regulacji pr

ą

du powy

ż

ej 1A wtedy R

3

przyjmuje

du

ż

e warto

ś

ci > 500

Ω

. Rezystor próbkuj

ą

cy R

4

ma przyj

ę

t

ą

warto

ść

równ

ą

0.47

Ω

.

W celu przedstawienia zasady regulacji napi

ęć

i pr

ą

dów przy u

ż

yciu stabilizatora L200C, z

zastosowaniem dodatkowego inwertora w p

ę

tli pr

ą

dowej, na wspólnym wykresie pokazano pomiarowe

charakterystyki pr

ą

dowo-napi

ę

ciowe (krzy

ż

owe) układu w tzw. Obszarze Bezpiecznej Pracy

(

SOA

–

Safe Operation Area

) rys. 4.1.2.4.

R1

1k

R2

R3

+

-

3

2

6

4

Ro

R4

0.47

U

SC

I

SC

U

O

- 13 -

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Io [A]

U

o

[

V

]

Warunki pomiaru

U

I

= 33V ± 1V

T

j

= 30°C

R

O

↓

R

O

↓

SOA - Obszar Bezpiecznej Pracy

Uo = 3V

Uo = 6V

Uo = 10V

Uo = 18V

Io = 425mA

Io =200mA

Io = 100mA

Io = 50mA

•

Stabilizacja napi

ę

cia

•

Stabilizacja pr

ą

du

L200C



opracowal dr M Zaradny

Rys. 4.1.2.4. Pomiarowe charakterystyki pr

ą

dowo-napi

ę

ciowe stabilizatora L200C uzyskane w układzie jak na rys. 4.1.2.1.

4.1.3. Realizacja układów. Płytka drukowana, monta

ż

i uruchomienie

Do monta

ż

u i pomiarów obliczonego stabilizatora napi

ę

cia z zabezpieczeniem nad pr

ą

dowym

z punktu 4.1.1 słu

ż

y dedykowana drukowana płytka monta

ż

owa, której widok przedstawiono na rys.

4.1.3.1. Struktura płytki umo

ż

liwia monta

ż

z kilku dyskretnych elementów biernych i układu scalonego

L200 szeregu stabilizatorów napi

ę

cia, w podstawowej aplikacji, które schemat ideowy przedstawiono

na rys. 4.1.1.1.

W celu samodzielnej realizacji, monta

ż

u i pó

ź

niejszych pomiarów laboratoryjnych

programowanego stabilizatora napi

ę

cia i pr

ą

du z punktu 4.1.2 o schemacie ideowym jak na rys.

4.1.2.1, przedstawiono drukowan

ą

płytk

ą

monta

ż

ow

ą

, której widok przedstawiono na rys. 4.1.3.2.

Struktura płytki umo

ż

liwia monta

ż

z elementów biernych, układu scalonego wzmacniacza

operacyjnego LM741 i wykonawczego układu stabilizatora scalonego L200, programowanego tzw.

stabilizatora krzy

ż

owego (pr

ą

dowo-napi

ę

ciowego), b

ą

d

ź

zgodnie z uproszczeniami zaznaczonymi

kolorem czerwonym i zielonym struktura płytki umo

ż

liwia równie

ż

realizacj

ę

układu z rys. 4.1.1.1.

To zadanie projektowo-laboratoryjne przeznaczone jest w szczególno

ś

ci dla studentów

chc

ą

cych

wykaza

ć

si

ę

umiej

ę

tno

ś

ci

ą

samodzielnego

projektowania

i

realizacji

eksperymentalnej w kierunku bardziej zaawansowanych układów elektronicznych.

Samodzielne

wykonanie płytki drukowanej z rys., monta

ż

i uruchomienie, oraz poprawna weryfikacja i interpretacja

charakterystyk pomiarowych stabilizatora napi

ę

ciowo-pr

ą

dowego

zasługuj

ą

na ocen

ę

celuj

ą

c

ą

.

Obie płytki drukowane zawieraj

ą

cz

ęść

wmontowanych na stałe elementów. S

ą

to: gniazda i

ko

ń

cówki pomiarowe JP1 i CON1, oraz JP2 i CON2 odpowiednio wej

ś

cia i wyj

ś

cia stabilizatora,

kondensatory zabezpieczaj

ą

ce C1 i C2 przed pojawieniem si

ę

składowej zmiennej na wej

ś

ciu, w

przypadku zasilania stabilizatora z laboratoryjnego zasilacza regulowanego. W przypadku statycznych

- 14 -

pomiarów charakterystyk przej

ś

ciowych, wyj

ś

ciowych itp. stabilizatora wielu długich przewodów

ł

ą

cz

ą

cych przyrz

ą

dy pomiarowe istnieje realne ryzyko wzbudzenia si

ę

stabilizatora. W tym celu mo

ż

na

wyeliminowa

ć

efekty wzbudzania si

ę

stabilizatora przez zastosowanie i dobór empiryczny pojemno

ś

ci

kondensatora blokuj

ą

cego C

2

(np. 100nF, 220nF).

Monta

ż

u elementów dokonujemy w nast

ę

puj

ą

cy sposób: (i) gniazda, elementy mechaniczne

mocowania radiatora układu scalonego, elementy bierne, (ii) półprzewodniki, przewody zasilaj

ą

ce i

pomiarowe.

Przed uruchomieniem układu nale

ż

y dokładnie sprawdzi

ć

jako

ść

poł

ą

cze

ń

lutowanych,

poprawne i zgodne ze schematem ideowym poł

ą

czenia wszystkich elementów i ich warto

ś

ci

!!!. Ostateczne przed uruchomieniem nale

ż

y skonsultowa

ć

si

ę

z prowadz

ą

cym zaj

ę

cia

laboratoryjne.

Rysunki płytek drukowanych PCB z zachowaniem liniowej skali 2:1.

Rys. 4.1.3.1. Widok płytki drukowanej „od strony elementów” do monta

ż

u stabilizatorów napi

ę

cia z układem L200.

Rys. 4.1.3.2. Widok uniwersalnej płytki drukowanej „od strony elementów” do monta

ż

u stabilizatorów napi

ę

cia (bez R

0

, R

1

, R

2

,

R

3

i IC2) i stabilizatorów napi

ę

ciowo-pr

ą

dowych, z układem L200.

- 15 -

5.

Projekt układu

Istot

ą

niniejszego

ć

wiczenia jest wcze

ś

niejsze zaprojektowanie układu wskazanego

stabilizatora o zadanych parametrach, a nast

ę

pnie jego monta

ż

i pomiary na laboratorium. W tym celu

student powinien si

ę

zgłosi

ć

po temat do prowadz

ą

cego zaj

ę

cia nie pó

ź

niej ni

ż

7 dni przed terminem

rozpocz

ę

cia laboratorium.

Temat projektu okre

ś

la:

1. Układ stabilizatora

2. Zakres zmian napi

ę

cia wej

ś

ciowego

±

∆

U

I

3. Napi

ę

cie wyj

ś

ciowe U

0

pr

ą

d wyj

ś

ciowy I

0

5. U

ż

yte elementy półprzewodnikowe

Ponadto wykonany projekt powinien zawiera

ć

:

1. Obliczenia projektowe (w tym rysunek układu zawieraj

ą

cy: oznaczenia i warto

ś

ci

rezystorów oraz kondensatorów, zwroty napi

ęć

oraz pr

ą

dów i ich warto

ś

ci,

charakterystyki, odpowiednie wzory). W przypadku układu scalonego (np. L200)

odpowiednie notatki i obliczenia mo

ż

na wykonywa

ć

we własnej wydrukowanej do tego

celu karcie katalogowej.

2. Je

ś

li to mo

ż

liwe - analiz

ę

programem PSpice

3. Wykaz elementów

4. Obliczenia radiatora (dopuszczalne straty mocy)

Gotowy staranny projekt nale

ż

y odda

ć

do sprawdzenia prowadz

ą

cemu zaj

ę

cia przed

rozpocz

ę

ciem laboratorium. Jest to warunek konieczny dopuszczenia do

ć

wiczenia !!!

6.

Program

ć

wiczenia

Na podstawie wykonanego projektu nale

ż

y zmontowa

ć

układ stabilizatora. Celowe jest

wcze

ś

niejszy sprawdzenie lub pomiar warto

ś

ci u

ż

ytych elementów. Nale

ż

y równie

ż

zamontowa

ć

obliczony radiator dla tranzystora regulacyjnego lub układu scalonego. Nale

ż

y unika

ć

zbyt du

ż

ej mocy

traconej w elemencie regulacyjnym lub układzie scalonym ze wzgl

ę

du na wzrost temperatury co

prowadzi do zmiany warunków dokonywanego pomiaru.

6. 1.

Zasilanie sieciowe

Układ prostownika sieciowego, przedstawiony w

ć

wiczeniu zasilacze niestabilizowane, nale

ż

y

zestawi

ć

zgodnie z rys. 6.1.1. Symulacj

ę

zmian napi

ę

cia sieci umo

ż

liwia autotransformator.

Sieć energetyczna

AC~230V

Transformator

Ochronny

230V/18V

Autotransformator

AC~0...250V

Prostownik

Stabilizator

Liniowy

Rys. 6.1.1. Układ regulowanego prostownika sieciowego.

Prostownik z transformatorem sieciowym wykorzystany w

ć

wiczeniu z prostownikami pozwala

na współprac

ę

ze stabilizatorami pobieraj

ą

cymi pr

ą

d maksymalny I

wemax

= 0.75A. W przypadku

stabilizatora o wi

ę

kszym poborze pr

ą

du, nale

ż

y zastosowa

ć

regulowany zasilacz laboratoryjny o

wi

ę

kszym pr

ą

dzie maksymalnym.

- 16 -

6. 2.

Układ pomiarowy

Układ pomiarowy stabilizatorów napi

ę

cia lub pr

ą

du przedstawiono na rys. 6.2.1.

Stabilizator

U

I

I

o

I

I

U

o

R

L

Prostownik

lub

Zasilacz

A

V

V

A

Rys. 6.2.1. Układ pomiarowy stabilizatorów.

6. 3.

Pomiary i zadanie laboratoryjne

6. 3. 1. Pomiary t

ę

tnie

ń

W przypadku zasilania stabilizatora (rys. 6.1.1) zasilaczem niestabilizowanym z

ć

wiczenia nr1,

wyznaczy

ć

metod

ą

oscyloskopow

ą

t

ę

tnienia prostownika k

t

oraz stabilizatora k

ts

przy pr

ą

dzie

wyj

ś

ciowym I

O

< I

Omax

. Pomiar nale

ż

y przeprowadzi

ć

dla wybranych warto

ś

ci kondensatora

filtruj

ą

cego

.

6. 3. 2. Stabilizator napi

ę

cia

6. 3. 2. 1. Pomiar charakterystyki U

0

= f(U

I

), R

L

- parametr

1. Zmierzy

ć

U

0

=f(U

I

) dla kilku wskazanych warto

ś

ci rezystancji obci

ąż

enia R

L

,

tak

ż

e I

O

< I

Omax

.

2. Wykre

ś

li

ć

zmierzone charakterystyki U

0

=f(U

I

).

3. Okre

ś

li

ć

zakresy stabilizacji

∆

U

0

dla ustalanych rezystancji obci

ąż

enia

oraz obliczy

ć

współczynniki stabilizacji S

u

.

4. Okre

ś

li

ć

tzw. Dropout stabilizatora dla wskazanych warto

ś

ci rezystancji R

L

6. 3. 2. 2. Pomiar charakterystyki U

0

= f(I

0

), U

I

- parametr

1. Zmierzy

ć

U

0

= f(I

0

) dla kilku wskazanych warto

ś

ci napi

ę

cia wej

ś

ciowego U

I

.

2. Wykre

ś

li

ć

zmierzone charakterystyki U

0

= f(I

0

).

3. Zaznaczy

ć

zakres stabilizacji

∆

U

0

i wyznaczy

ć

rezystancj

ę

R

ƒ

O

stabilizatora.

4. Wyznaczy

ć

współczynnik stabilizacji od zmian obci

ąż

enia S

RL

, przyjmuj

ą

c

maksymalny pr

ą

d I

O

nie powoduj

ą

cy przej

ść

układu w stabilizacj

ę

pr

ą

du

5. Zmierzy

ć

U

0

= f(I

0

), tu

ż

poza zakresem stabilizacji napi

ę

cia „na kolanie

charakterystyki”.

6. Zmierzy

ć

pr

ą

d zwarcia I

Z

, dla trzech wskazanych warto

ś

ci napi

ę

cia U

I

Uwaga!

Zmiany warto

ś

ci pr

ą

du I

O

uzyskujemy przez dyskretn

ą

zmian

ę

rezystancji

obci

ąż

enia R

L

.

- 17 -

6. 3. 3. Stabilizator pr

ą

du

(podpunkt 4.1.2)

6. 3. 3. 1. Pomiar charakterystyki I

0

= f (U

I

), R

L

- parametr

1. Zmierzy

ć

I

0

= f(U

I

) dla kilku wskazanych warto

ś

ci rezystancji obci

ąż

enia R

L

.

2. Wykre

ś

li

ć

zmierzone charakterystyki I

0

=f(U

I

).

6. 3. 3. 2. Pomiar charakterystyki I

0

= f(U

0

), U

I

– parametr

1. Zmierzy

ć

I

0

= f(U

0

) dla kilku wskazanych warto

ś

ci napi

ę

cia wej

ś

ciowego U

I

.

2. Zmierzy

ć

pr

ą

d zwarcia I

0

= f(U

0

= 0V) dla dwóch znacznie si

ę

ró

ż

ni

ą

cych

wskazanych warto

ś

ci napi

ę

cia wej

ś

ciowego U

I

3. Wykre

ś

li

ć

zmierzone charakterystyki I

0

= f(U

0

).

Uwaga!

Zmiany warto

ś

ci pr

ą

du U

O

uzyskujemy przez dyskretn

ą

zmian

ę

rezystancji

obci

ąż

enia R

L

.

7.

Zagadnienia

1.

Definicje parametrów oraz charakterystyki stabilizatorów napi

ę

cia i pr

ą

du.

2.

Schemat blokowy i zasada działania stabilizatora kompensacyjnego o pracy ci

ą

głej.

3.

Graficzna interpretacja działania kompensacyjnego stabilizatora napi

ę

cia przy zmianie

rezystancji obci

ąż

enia oraz zmianie napi

ę

cia wej

ś

ciowego.

4.

Metody poprawy parametrów stabilizatora kompensacyjnego.

5.

Rodzaje zabezpiecze

ń

nadpr

ą

dowych i stabilizatorów pr

ą

du.

6.

Rozwi

ą

zania układowe stabilizatorów napi

ę

cia i pr

ą

du.

7.

Układ scalony L200: budowa, działanie, parametry i zastosowania.

9.

Sprawno

ść

, straty mocy oraz dobór radiatorów.

10.

Projektowanie stabilizatorów z wykorzystaniem układu scalonego L200 i zasada działania.

8.

Literatura

[1]

Antoszkiewicz K., Nosal Z., „ Zbiór zada

ń

z układów elektronicznych liniowych”, WNT, 1998

[2]

Baranowski J., Czajkowski G., "Układy elektroniczne. Cz

ęść

I", WNT, ,1994. ss. 391-426

[3]

Borkowski A., „Układy scalone w stabilizatorach napi

ę

cia stałego”, WNT 1985

[4]

Borkowski A., „Zasilanie urz

ą

dze

ń

elektronicznych”, WKŁ, 1990, 98-198, 295-356

[5]

Golde W., "Układy elektroniczne. Cz

ęść

II", WNT, , 1976. ss.261-286

[6]

Kuta S., „ Układy elektroniczne. Cz

ęść

I”, AGH, 1995, ss. 423-466

[7]

Kwa

ś

niewski S., „Stabilizatory napi

ę

cia. Dane i zastosowania. Tom I i II”, Gda

ń

sk, 1996

[8]

SGS-Thomson ICs Databook, 1993

[9]

Pawłowski J., "Układy elektroniczne. Nieliniowe układy analogowe ", WNT, 1975. ss. 131-176

[10]

SGS-Thomson, Application Note – AN255/1288

[11]

Tietze U., Schenk Ch., „Układy półprzewodnikowe“ WNT 1997

[12]

J. Witkowski, Układy Elektroniczne I – wykłady

[13]

Z. Musiałowski, „Laboratorium układów elektronicznych. Cz. I”, Oficyna wyd. PWr., 1998

- 18 -

9.

Przygotowanie do

ć

wiczenia

Przed realizacj

ą

ć

wiczenia studenci otrzymuj

ą

od prowadz

ą

cego zaj

ę

cia zadanie i

odpowiednie zało

ż

enia projektowe. W zadaniu okre

ś

lony jest układ stabilizatora z wykorzystanie

układu scalonego L200, a wi

ę

c mo

ż

e to by

ć

programowany stabilizator napi

ę

cia z zabezpieczeniem

pr

ą

dowym (obowi

ą

zkowo), lub programowany stabilizator napi

ę

ciowo-pr

ą

dowy (

wówczas mo

ż

na

samodzielnie wykona

ć

płytk

ę

drukowan

ą

). Student dopuszczony b

ę

dzie do

ć

wiczenia na

podstawie znajomo

ś

ci

ć

wiczenia i zagadnie

ń

teoretycznych dotycz

ą

cych

ć

wiczenia (zaliczona

kartkówka), a ponadto warunkiem koniecznym jest staranne przygotowanie zadania projektowego i

szablonu

ć

wiczenia według poni

ż

szych wskazówek.

9. 1.

Zadanie projektowe

1. W zadaniu nale

ż

y przedstawi

ć

sposób wyznaczania elementów układu i ich

warto

ś

ci np. według procedury podanej w opisie do

ć

wiczenia pkt. 4. – parametry

zadane i uzyskane. Nale

ż

y pami

ę

ta

ć

o doborze warto

ś

ci elementów (w

szczególno

ś

ci rezystorów) ze znormalizowanych szeregów nie wi

ę

kszych ni

ż

E-24

(tj. dokładno

ść

nie lepsza ni

ż

5%). Na płytce drukowanej (rys. 4.1.3.1) dla

rezystorów „programuj

ą

cych” R

5

i R

6

przewidziano równoległe miejsca lutownicze,

tak

ż

e ka

ż

dy z rezystorów mo

ż

e stanowi

ć

równoległe poł

ą

czenie dwóch

rezystorów z szeregu 5% w celu uzyskania dowolnego stabilizowanego napi

ę

cia

wyj

ś

ciowego.

2. Schemat ideowy układu z naniesionymi symbolami zgodnie z instrukcj

ą

do

ć

wiczenia i obliczonymi warto

ś

ciami elementów.

3. Na papierze milimetrowym przed

ć

wiczeniem nale

ż

y przygotowa

ć

i nanie

ść

odpowiednie

przewidywane

skale

mierzonych

warto

ś

ci

i

wielko

ś

ci

(

np. dla U

o

= f(I

o

), U

o

= f(U

I

), gdzie parametrem s

ą

odpowiednio U

I

, oraz I

O

). Ka

ż

d

ą

z charakterystyk lub rodzin

ę

charakterystyk nale

ż

y przygotowa

ć

na osobnym

wykresie (stronie).

4. Na

płytce

drukowanej

PCB

nale

ż

y

naszkicowa

ć

(

najlepiej

kolorami

),

rozmieszczenie wykorzystywanych elementów, zaznaczy

ć

ich symbole i warto

ś

ci

zgodnie ze schematem. Wskazówka - rys. 4.1.3.2.

9. 2.

Szablon

1.

Strona tytułowa (

http://qe.ita.pwr.wroc.pl/~zue/

)

2.

Na schemacie ideowym z pkt. 9.1. (2), nale

ż

y pozostawi

ć

miejsce na wpisanie

warto

ś

ci rezystancji rezystorów R

5

, R

6

i R

4

(opcjonalnie dla schematu z

rys. 4.1.2.1, rezystorów R

1

, R

2

, R

3

) uzyskanych w wyniku pomiaru multimetrem.

3.

Tabela wyników oblicze

ń

i pomiarów, oraz pomiarów wskazanych charakterystyk

stabilizatora opisanych w zadaniu laboratoryjnym pkt. 6.3.

Wzór w instrukcji do

ć

wiczenia str. 22-23.

4.

Samodzielnie przygotowane siatki wykresów w skali liniowej na papierze

milimetrowym jak to podano ju

ż

w pkt. 9.1 (3), lub odpowiednio przygotowane

wcze

ś

niej, wykonane na komputerze i wydrukowane.

- 19 -

5. Na ostatniej stronie szablonu sprawozdania nale

ż

y zamie

ś

ci

ć

wnioski i

spostrze

ż

enia. W tym celu nale

ż

y przygotowa

ć

jedn

ą

wolna stron

ę

zatytułowan

ą

„Wnioski i spostrze

ż

enia”.

6. W trakcie

ć

wiczenia nale

ż

y wykona

ć

spis u

ż

ytej aparatury i przyrz

ą

dów

pomiarowych wraz z ich symbolami i numerami inwentarzowymi.

7. Je

ś

li w zadaniu projektowym okre

ś

lono wi

ę

cej ni

ż

jedno napi

ę

cie i/lub pr

ą

d

stabilizowane, wówczas dla ka

ż

dego przypadku nale

ż

y wypełni

ć

osobn

ą

tabel

ą

wg.

wzoru podanego na str. 20-21 instrukcji

.

Sprawozdanie nale

ż

y wykona

ć

w czasie zaj

ęć

laboratoryjnych i odda

ć

prowadz

ą

cemu bezpo

ś

rednio po ich zako

ń

czeniu !!!

W celu sprawnego wykonania

ć

wiczenia i sporz

ą

dzenia sprawozdania, nale

ż

y przed planowym terminem zaj

ęć

starannie si

ę

przygotowa

ć

zgodnie z wytycznymi

. Ł

ą

cznie ze sprawozdanie

oddajemy „na papierze” cz

ęść

dotycz

ą

c

ą

zadania projektowo-obliczeniowego

zadanego przez prowadz

ą

cego !!!

Wszystkie strony sprawozdania i projektu

musz

ą

by

ć

ponumerowane, podpisane i spi

ę

te przed oddaniem prowadz

ą

cemu !

- 20 -

R4

R5

R6

Obliczone

Wybrane warto

ś

ci z

szeregu E-24

Zmierzone

Odpowiednie warto

ś

ci wpisujemy odpowiednimi kolorami zgodnie z pierwsz

ą

kolumn

ą

R4

0.47

R6

*

0

0

R5

*

IC1
L200C

1

5

3

4

2

IN

O

U

T

G

N

D

V

R

E

F

LIM

JP2

OUT

1
2
3
4

0

0

+

C3

220u/50

C2

220n

JP1

IN

1
2
3
4

0

0

0

+

C1

1000u/50

- 21 -

R2

R3

R4

R5

R6

Obliczone

Wybrane warto

ś

ci z

szeregu E-24

Zmierzone

Odpowiednie warto

ś

ci wpisujemy odpowiednimi kolorami zgodnie z pierwsz

ą

kolumn

ą

R0

10

0

+

C3

220u/50

0

+

-

IC2
LM741

3

2

6

7

4

JP1

IN

1
2
3
4

0

0

R4

0.47

C2

220n

R3

120

0

0

R1

1k

R6

820

JP2

OUT

1
2
3
4

IC1
L200C

1

5

3

4

2

IN

O

U

T

G

N

D

V

R

E

F

LIM

0

0

R2

100k

R5

4.7k

+

C1

1000u/50

- 22 -

Pomiary charakterystyki U

o

=

ƒƒƒƒ

(U

I

)

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

R

L

=

R

L

=

R

L

=

R

L

=

R

L

=

R

L

=

R

L

=

S

U

=

S

U

=

S

U

=

S

U

=

S

U

=

S

U

=

S

U

=

U

I

[V]

U

o

[V]

U

I

[V]

U

o

[V] U

I

[V]

U

o

[V]

U

I

[V]

U

o

[V]

U

I

[V]

U

o

[V]

U

I

[V]

U

o

[V]

U

I

[V]

U

o

[V]

- 23 -

Pomiary charakterystyki U

o

=

ƒƒƒƒ

(I

O

)

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

o dla R

L

=

∞

=

U

I

=

U

I

=

U

I

=

U

I

=

U

I

=

U

I

=

U

I

=

S

R

L

=

S

R

L

=

S

R

L

=

S

R

L

=

S

R

L

=

S

R

L

=

S

R

L

=

U

o

[V]

I

o

[mA]

U

o

[V]

I

o

[mA]

U

o

[V]

I

o

[mA]

U

o

[V] I

o

[mA]

U

o

[V]

I

o

[mA] U

o

[V]

I

o

[mA]

U

o

[V]

I

o

[mA]