Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
2
A) Cel ćwiczenia.
- Zrozumienie zasady działania stabilizatora napięcia
- Zrozumienie zasady działania i zastosowań obwodów prądu stałego
Podstawowe wymagania
Schemat blokowy układu stabilizatora napięcia
UKŁAD
STABILIZATORA
NAPIĘCIA
U
0
R
0
U
we
I
0
1. Wymaga się aby napięcie wyjściowe (U
O
) pozostawało stałe niezależnie od zmian
napięcia zasilania (U
we
).
2. Wymaga się aby napięcie wyjściowe (U
O
) pozostawało stałe niezależnie od zmian
prądu obciążenia (I
O
).
1. Podstawowy układ parametrycznego stabilizatora napięcia
Rys. 1. Schemat stabilizatora parametrycznego.
Jeśli napięcie zasilania (U
we
) lub prąd obciążenia (I
O
) ulegają zmianie, napięcie wyjściowe
(U
O
) powinno pozostać stałe.
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
3
Rys. 1a. Stabilizator parametryczny. Graficzna analiza pracy.
Przykład 1
Rozważmy obwód z rys. 1, gdzie:
U
Z
= 6,2 [V]
R = 1 [k
Ω]
R
O
= 2 [k
Ω]
U
we
= 12 [V]
Chcemy wyznaczyć wartości: I
R
, I
Z
, I
O
.
Rozwiązanie
]
[
8
,
5
]
[
10
8
,
5
]
[
10
1
]
[
)
2
,
6
12
(
3
3
mA
A
V
R
U
U
I
Z
we
R
=
⋅
=
Ω
⋅
−
=
−
=
−
]
[
1
,
3
]
[
10
1
,
3
]
[
10
2
]
[
2
,
6
3
3
mA
A
V
R
U
I
O
Z
O
=
⋅
=
Ω
⋅
=
=
−
]
[
7
,
2
]
[
)
10
1
,
3
10
8
,
5
(
3
3
mA
A
I
I
I
O
R
Z
=
⋅
−
⋅
=
−
=
−
−
Przykład 2
Rozważmy ten sam układ, przy zmianie napięcia wejściowego na U
we
= 20 [V].
Obliczamy I
R
, I
Z
, I
O
.
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
4
]
[
8
,
13
]
[
10
8
,
13
]
[
10
1
]
[
)
2
,
6
20
(
3
3
mA
A
V
I
R
=
⋅
=
Ω
⋅
−
=
−
]
[
1
,
3
]
[
10
1
,
3
]
[
10
2
]
[
2
,
6
3
3
mA
A
V
I
O
=
⋅
=
Ω
⋅
=
−
]
[
7
,
10
]
[
)
10
1
,
3
10
8
,
13
(
3
3
mA
A
I
Z
=
⋅
−
⋅
=
−
−
Przykład 3
Zmieniamy wartość R
O
z przykładu 1 na 1,5 [k
Ω]
Wyznaczamy I
R
, I
Z
, I
O
.
]
[
8
,
5
]
[
10
8
,
5
]
[
10
1
]
[
)
2
,
6
12
(
3
3
mA
A
V
I
R
=
⋅
=
Ω
⋅
−
=
−
]
[
1
,
4
]
[
10
1
,
4
]
[
10
5
,
1
]
[
2
,
6
3
3
mA
A
V
I
O
=
⋅
=
Ω
⋅
=
−
]
[
7
,
1
]
[
)
10
1
,
4
10
8
,
5
(
3
3
mA
A
I
Z
=
⋅
−
⋅
=
−
−
Z powyższych trzech przykładów możemy zauważyć, że jeżeli napięcie zasilania lub
rezystancja obciążenia ulegają zmianie, to U
O
= U
Z
pozostaje bez zmian i wynosi 6,2 [V],
zmianie ulegają wartości prądów. Należy zauważyć, że istnieją ograniczenia na: I
Zmax
oraz
I
Zmin
.
Przykład 4
Diodę D
z
o parametrach P
Zmax
= 1 [W] oraz U
Zmin
= 5,6 [V] zastosowano w przykładzie 1.
Wyznaczyć I
Zmax
oraz I
Zmin
.
P
Zmax
= 1 [W] , U
Z
= 6,2 [V]
]
[
150
]
[
10
150
]
[
2
,
6
]
[
1
3
max
max
mA
A
V
W
U
P
I
ZD
Z
Z
=
⋅
=
=
=
−
Jeżeli I
Z
> I
Zmax
(150 mA), dioda D
z
ulegnie uszkodzeniu (termicznemu).
• U
Zmin
= 5,6 [V]
O
O
we
O
R
R
R
U
U
+
⋅
=
Jeżeli U
Z
< U
Zmin
, dioda D
Z
nie może pracować jako stabilizator napięcia.
Mamy:
O
O
R
R
V
V
+
Ω
⋅
⋅
=
]
[
10
1
]
[
12
]
[
6
,
5
3
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
5
Ω
=
Ω
⋅
=
Ω
⋅
⋅
=
k
V
V
R
O
9
,
0
10
9
,
0
]
[
10
1
]
[
4
,
6
]
[
6
,
5
3
3
]
[
2
,
0
10
2
,
0
]
[
)
10
2
,
6
10
4
,
6
(
]
[
10
9
,
0
]
[
6
,
5
]
[
10
1
]
[
)
6
,
5
12
(
3
3
3
3
3
min
mA
A
A
V
V
I
I
I
O
R
Z
=
⋅
=
⋅
−
⋅
=
Ω
⋅
−
Ω
⋅
−
=
−
=
−
−
−
2. Wymagania stawiane stabilizatorom napięcia
W tabeli A zestawiono wymagania stawiane stabilizatorom napięcia.
Tabela A
Wymaganie
1. Wahania napięcia zasilania (zmiana napięcia
na obciążeniu U
O
) odpowiadająca zmianom
napięcia na wejściu (U
we
)
→ U
O
= f(U
we
)
możliwe
najmniejsze
2. Wahania obciążenia (zmiana napięcia na
obciążeniu U
O
) odpowiadająca zmianom prądu
na obciążeniu (I
O
)
→ U
O
= f(I
O
)
możliwe
najmniejsze
3. Tętnienia możliwe
najmniejsze
4. Zabezpieczenie przed przekroczeniem wartości
prądu (I
O
)
5. Dopuszczalny zakres napięcia wyjściowego
(U
O
)
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
6
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
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
7
2. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U
o
= f(U
we
) przy I
O
= const. (wartość I
O
regulowana
jest potencjometrem VR2).
Wykonać pomiary według tabel 1
÷ 3.
Tabela 1
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 1 [mA]
Tabela 2
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 1,5 [mA]
Tabela 3
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 2 [mA]
3. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U
0
= f(U
we
) przy I
O
= const.
(wg tabel 1
÷ 3).
4. W sprawozdaniu określić wartości U
wemin
dla U
o
= 6,2 [V] dla różnych wartości prądu I
O
.
Lp. U
o
= 6,2 [V]
U
wemin
1
I
o
= 1 [mA]
2
I
o
= 1,5 [mA]
3
I
o
= 2 [mA]
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
8
5. Wyznaczyć rodziny charakterystyk: U
o
= f(I
O
) przy U
we
= const.
I
o
= f(U
O
) przy U
we
= const.
I
o
+ I
Z
= f(U
O
) przy U
we
= const.
Wykonać pomiary według tabel 4
÷ 8.
Tabela 4
I
O
[mA]
0,75 1 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
\we
[mA]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 7 [V]
Tabela 5
I
O
[mA]
0,75 1 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
\we
[mA]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 9 [V]
Tabela 6
I
O
[mA]
0,75 1 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
\we
[mA]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 12 [V]
Tabela 7
I
O
[mA]
0,75 1 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
\we
[mA]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 14 [V]
Tabela 8
I
O
[mA]
0,75 1 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
\we
[mA]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 18 [V]
6. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U
O
= f(I
O
) przy U
we
= const.
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
9
7. Na wspólnym wykresie narysować charakterystyki:
I
we
= f(U
O
) przy U
we
= const. dla U
we
= 12V, 14V, 18V
Na wspólnych wykresach narysować charakterystyki:
I
we
= f(U
O
) przy U
we
= const.
I
O
= f(U
O
) przy U
we
= const.
I
Z
= f(U
O
) przy U
we
= const.
odpowiednio dla napięć wejściowych U
we
= 12, 14, 18 [V]
8. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2b i 2b1
9. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U
o
= f(U
we
) przy I
O
= const.
Wykonać pomiary według tabel 9
÷ 11.
Tabela 9
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 1,5 [mA]
Tabela 10
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 2 [mA]
Tabela 11
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 2,5 [mA]
10. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U
0
= f(U
we
) przy I
O
= const.
(wg tabel 9
÷ 11).
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
10
11. W sprawozdaniu określić wartości U
we min
dla U
o
= 10 [V] dla różnych wartości prądu I
O
.
Lp. U
o
= 10 [V]
U
wemin
1
I
O
= 1,5 [mA]
2
I
O
= 2 [mA]
3
I
O
= 2,5 [mA]
12. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U
o
= f(I
O
) przy U
we
= const.
I
z
= f(I
O
) przy U
we
= const.
Wykonać pomiary według tabel 12
÷ 14.
Tabela 12
I
O
[mA]
1 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 12 [V]
Tabela 13
I
O
[mA]
1 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 14 [V]
Tabela 14
I
O
[mA]
1 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 18 [V]
13. Na wspólnych wykresach narysować rodziny charakterystyk odpowiednio
U
o
= f(I
O
) przy U
we
= const.
I
z
= f(I
O
) przy U
we
= const.
14. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2c i 2c1
15. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U
o
= f(U
we
) przy I
O
= const.
Wykonać pomiary według tabel 15
÷ 17.
Tabela 15
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 1,5 [mA]
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
11
Tabela 16
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 2 [mA]
Tabela 17
U
we
[V]
2,8 3 4 5 6 7 8
U
o
[V]
9 10 12 14 16 18
dla
I
0
= 2,5 [mA]
16. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U
0
= f(U
we
) przy I
O
= const.
(wg tabel 17
÷ 19).
17. W sprawozdaniu określić wartości U
we min
dla U
o
= 12,4 [V] dla różnych wartości
prądu I
O.
Lp. U
o
= 12,4 [V]
U
we min
1
I
O
= 1,5 [mA]
2
I
O
= 2 [mA]
3
I
O
= 2,5 [mA]
18. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U
o
= f(I
O
) przy U
we
= const.
Wykonać pomiary według tabel 18
÷ 20.
Tabela 18
I
O
[mA]
1,5 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 14 [V]
Tabela 19
I
O
[mA]
1,5 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 16 [V]
Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
12
Tabela 20
I
O
[mA]
1,5 2 4 6 8 10
15
U
O
[V]
I
Z
[mA]
dla
U
we
= 18 [V]
19. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U
o
= f(I
O
) przy U
we
= const.
(wg tabel 18
÷ 20).
C) Podsumowanie i wnioski.
1. Na podstawie wykonanych pomiarów
0
)
(
=
∆
=
wyj
I
wej
O
U
f
U
(p.2, 9, 15) wyznaczyć
współczynnik stabilizacji napięcia
0
=
∆
∆
∆
=
o
I
wej
O
U
U
K
dla różnych wartości I
O
.
2. Na podstawie wykonanych pomiarów
0
)
(
=
∆
=
wej
U
O
O
I
f
U
(p. 5, 12, 18) obliczyć
wyjściową rezystancję dynamiczną
0
=
∆
∆
∆
=
wej
U
o
O
wyj
I
U
R
dla różnych wartości U
wej
.
3. Na wspólnych wykresach narysować rodziny charakterystyk dla zależności:
• U
O
= f(U
wej
) dla różnych wartości I
O
(p. 3, 10, 16),
• K = f(U
wej
) dla różnych wartości I
O
,
• U
O
= f(I
O
) dla różnych wartości U
wej
(p. 6, 13, 19),
• R
wy
= f(I
O
) dla różnych wartości U
wej
,
• I
O
+ I
Z
= f(U
O
) przy U
we
= const. (p. 7),
• I
we
= f(U
O
) przy U
we
= const. (p. 7),
• I
Z
= f(I
O
) przy U
we
= 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
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.
13
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. Śląskiej, 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.