Laboratorium Elektroniki
	Stabilizatory napięcia stałego

1.Wstęp.

Celem ćwiczenia jest zilustrowanie zasad działania stabilizatorów napięcia o pracy ciągłej oraz sposobów poprawy ich parametrów, a także aplikacji specjalizowanych układów scalonych. W kolejności badane są stabilizatory:

- z diodą Zenera,

- z diodą Zenera i wtórnikiem emiterowym

- ze sprzężeniem zwrotnym.

Sekwencja tych układów jest tak dobrana, aby pokazać układowe sposoby poprawy ich parametrów roboczych przez stopniowe rozbudowywanie schematu. Pierwszy stopień poprawy parametrów polega na rozdzieleniu funkcji źródła napięcia odniesienia i elementu regulującego. Drugi - polega na dodaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego, kontrolującego różnicę napięć wyjściowego i odniesienia, o wzmocnieniu w pętli znacznie większym od 1.

2.Obliczenia projektowe.

Stabilizator z diodą Zenera:

Uz=Uwy=5.6V

Uwe=10 ÷12V

Iz=3mA*30mA

Rz=51Ω

Uwe=Rs*I+Uz ⇒ R₁₀=Uwe-Uz/I-Rz

R₁₀=82.3Ω

Stabilizator z diodą Zenera i wtórnikiem emiterowym:

Iz=3 ÷30mA ; Uwe=10÷12V ; β=100 ; I_max=22.6mA

Ie=I_0max - I_R2 =22.6- 0.55=22.05mA

Ie=Ic+Ib=Ib(1+β) ⇒ Ib=Ie/(β+1)=0.22mA

Ic=22mA

I_R1=Iz+Ib=3.22÷30.22mA

R₂₀=Uwe-Uz/I_R1=1180÷192Ω

Przyjmuje R₂₀=700Ω

Stabilizator ze sprzężeniem zwrotnym:

Iz=3÷30mA ; Uwe=10÷12V ; β=100 ; I_0max=22.6mA

Dla Iz=3mA Ib2=2.97μA i Ic2=2.97mA

Ie1=22.6-0.0297=22.57mA

Dla Iz=30mA Ib2=297μA i Ic2=29.7mA

Ie1=22.6-0.297=22.3mA

Ie1=Ic1+Ib1

⇒ Ie1=Ib1(1+β) ⇒ Ib1=Ie1/(β+1)

Ic1=β*Ib1

Dla Iz=30mA Ib1=0.223mA i Ic1=22.3mA

Dla Iz=3mA Ib1=0.22mA i Ic1=22mA

I_RS=Ib1+Ic2=3.193÷29.92 mA

R₃₀=Uwe-Uz-Uce/I_RS=184÷1096Ω

Przyjmujemy R₃₀=600Ω

Stabilizator z układem scalonym:

Wzmacniacz operacyjny przyjmujemy jako idealny (prąd wpływający jest znikomy, więc go pomijamy)

R2'=510Ω ; Uref=7.2V

I_Zmax=Uref/R2'=14mA

Ur2=Ur4=Iz*R2

Przypadek 1

Uwe=10÷12V

Uwy=5V

Uref*(R2/R2'+R2 +R4)=Uwy*(R4/R3+R4)=Iz*R2

ponieważ R4/R3+R4<=1 możemy przyjąć R3=0 , R4=∝

R4/R3+R4=1 i Iz*R2=Uwy

I_zmax=14mA , przyjmujemy Iz=1mA

R2=Ur2/Iz=5kΩ

Uref=5k/510+5k+R1=Uwy ⇒ R1=(Uref*5k/Uwy)-5.51k=1.7kΩ

Przypadek 2

Uwe=10÷12V ; Uwy=8V ; I_zmax=14mA ; R2'=510Ω ; przyjęto Iz=1mA

Uwy=Iz*R4

Uref*(R2/R2'+R2+R1)=Uwy*(R4/R3+R4)=Iz*R2

zakładamy że R2/R2+R1<=1 wtedy R1=0, R2=∝ dlatego

Uref=Uwy*(R4/R3+R4) a R4=Uwy/Iz=8kΩ

Uwy=(R3+R4/R4)*Uref }/Uref

(Uwy/Uref) -1=R3/R4

R3=[(Uwy/Uref) -1]*R4 ≅ 890Ω

3.Pomiary:

Schematy ideowe prostych stabilizatorów napięcia:

STABILIZATOR Z DIODĄ ZENERA

R₁₀=82,3Ω dla We÷12V dokonano następujących pomiarów:

U[V]	I[mA]
5.964	2.74
5.805	2.03
5.177	9.95

dla Uwe=10V

U[V]	I[mA]
6.047	0.278
5.774	3.616
3.677	4.997

dla Uwe=12V

Z oscyloskopu zdjęto następujące charakterystyki

STABILIZATOR Z WTÓRNIKIEM EMITEROWYM

R₂₀=700Ω dla Uwe=10÷12V otrzymano następujące pomiary:

U[V]	I[mA]
5.796	0.263
5.654	5.202

dla Uwe=10V,

U[V]	I[mA]
5.796	0.26
5.717	4.61

dla Uwe=12V

Z oscyloskopu zdjęto następujące charakterystyki

STABILIZATOR ZE SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM

R₃₀₌600Ω dla Uwe=10÷12V otrzymano następujące pomiary:

U[V]	I[mA]
5.545	0.255
5.494	5.12

dla Uwe=10V

U[V]	I[mA]
5.681	0.261
5.494	4.68

dla Uwe=12V

Z oscyloskopu zdjęto następujące charakterystyki

STABILIZATOR Z UKŁADEM SCALONYM

Dla napięcia na wyjściu Uwy=5V dobrano następujące rezystory R1=1.7k , R2=5k , R3=890

i przy Uwe=10÷12V otrzymano następujące pomiary:

Uwe=10V

U[V]	I[mA]
5.218	0.241
5.178	2.578
0.841	2.804

Uwe=12V

U[V]	I[mA]
5.225	0.242
5.182	2.678
0.84	2.78

Dla napięcia na wyjściu Uwy=8V dobrano następujące rezystory R1=1.7k , R2=5k ,R4=8k

i przy Uwe=10÷12V otrzymano następujące pomiary:

Uwe=12V

U[V]	I[mA]
7.899	3.44
7.882	2.809
6.75	2.8

Uwe=10V

U[V]	I[mA]
7.899	3.45
7.861	2.738
2.816	0.857

4.Wnioski:

Stabilizatorem napięcia nazywa się układ, który ma za zadanie teoretycznie niezmiennej war­tości napięcia na wyjściu w określonych granicach zmian napięcia zasilającego, obciążenia oraz czynników zewnętrznych, np. temperatury, ciśnienia, wilgotności, czasu itd. W połączeniu z prostownikiem i filtrem tworzą one zasilacze i kalibratory. Stabilizator napięcia powinien być praktyczną realizacją idealnego źródła napięciowego. W przybliżeniu można przyjąć, że napię­cie wyjściowe U_WY stabilizatorów napięcia jest funkcją napięcia wejściowego U_WE , prądu wyj­ściowego (obciążenia) I_WY i temperatury T

U_WY = f(U_WE , I_WY , T)

Bezwzględna zmienność wejściowa (sieciowa) wyraża bezwzględną zmianę sygnału (napięcia) przy zmianach napięcia zasilania stabilizatora. wyraża się ją zwykle przy zmianach napięcia wej­ściowego o 1V lub o 10% (ΔU_WE = 1V, 10%). Względna zmienność wejściowa wyraża się następującą zależnością

przy ΔUwe=1V, 10%.

Bezwzględna zmienność wyjściowa (obciążeniowa) stanowi bezwzględna zmianę sygnału wyj­ściowego (napięcia) przy zmianach obciążenia. Wyznacza się ją zwykle przy zmianach obcią­żenia od wartości minimalnej do wartości maksymalnej. Względna zmienność wyjściowa jest opisana zależnością:

Rezystancję i konduktancję wyjściową stabilizatorów określa się przy napięciu i prądzie stałym, natomiast przy sygnałach zmiennych - impedancję i admitancję wyjściową. Oprócz wymienio­nych parametrów, do ważnych wielkości charakteryzujących jakość stabilizatora należy współ­czynnik tętnień określany jako stosunek między szczytowej wartości napięcia U_WYT tętnień na wyjściu i napięcia U_WET tętnień na wejściu

Ze względu na zasadę działania stabilizatory napięcia stałego można podzielić na: parametryczne, kompensacyjne o działaniu ciągłym i impulsowym.

W stabilizatorach parametrycznych zmiana określonego parametru elementu stabilizującego dana wielkość wyjściową przeciwdziała czynnikom destabilizacyjnym. Cechą charakterystyczną wszystkich ''S''parametrycznych jest brak zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego, który zapewniałby porównywanie wielkości wyjściowej z jej wartością przyjętą za odniesienie. Nie najlepsza jakość stabilizatorów parametrycznych ogranicza ich zastosowanie.

W stabilizatorach kompensacyjnych napięcia o działaniu ciągłym, w procesie stabilizacji nastę­puje porównanie napięcia stabilizowanego U_WY z wzorcowym napięciem odniesienia E_W. Stabi­lizatory kompensacyjne zawierają zatem następujące człony: źródło napięcia odniesienia, układ porównujący, wzmacniacz błędu i układ regulujący. W stabilizatorach wyższej klasy wzmac­niacz błędu jest zwykle kilkustopniowym wzmacniaczem różnicowym o dużym wzmocnieniu, dużej rezystancji wejściowej, niskim poziomie szumów i niewielkim dryfcie temperaturowym. Źródło napięcia odniesienia jest bardziej złożone i budowane najczęściej w układzie skompen­sowanym temperaturowo.

Układy stabilizatorach zastosowanie technologii scalonej dało możliwości uzyskania znacznie lepszych parametrów przy małych wymiarach. Ponadto technologia ta umożliwiła wykonanie, oprócz zasadniczego stabilizatora, dodatkowych układów zabezpieczających przed przeciąże­niem i zwarciem oraz zabezpieczenie termiczne. Umożliwiają one stabilizację napięć zarówno o polaryzacji dodatniej, jak i ujemnej. Typowe wartości napięć wyjściowych wynoszą 2.5 ÷ 35V, przy czym można wyróżnić stabilizatory o napięciu wyjściowym regulowanym zewnętrznym elementem regulacyjnym, w postaci np. dzielnika rezystancyjnego, oraz stabilizatory o napięciu wyjściowym ustalonym np. +5V. Obciążalność scalonych stabilizatorów napięcia nie jest zbyt duża, prąd wyjściowy wynosi od kilkunastu do kilkuset mA.

Uwy

Uwe=12V

Uwe=10V

Uwe

Uwy

Uwe=10V

Uwe=12V

Uwe

Uwy

Uwe=12V

Uwe=10V

Uwe

R3

R1

Uwy

5V

R2

Uwe

R1

Uwy

R2

R4

8V

Uwe

---