POLITECHNIKA ÅšWI
TOKRZYSKA
W KIELCACH
WYDZIAA
ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI
KATEDRA ELEKTRONIKI I SYSTEMÓW INTELIGENTNYCH
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
ĆWICZENIE NR 3:
ZASILACZE STABILIZOWANE NAPI
CIA STAA
EGO
KIELCE 2006
1. Wstęp teoretyczny
Prawie wszystkie układy i urządzenia elektroniczne, w celu zapewnienia prawidłowego działania,
muszą być zasilane napięciem stałym. Ponieważ zasilanie z baterii lub akumulatorów ogranicza się w
zasadzie do urządzeń przenośnych, można stwierdzić, że zagadnienie projektowania zasilaczy napięcia
stałego jest jednym z podstawowych problemów w konstrukcji układów elektronicznych. Zasilacz
napięcia stałego można określić jako urządzenie, przetwarzające energię sieci prądu zmiennego
(przeważnie o wartości skutecznej napięcia 220V) na napięcie stałe. Jeżeli napięcie to ma służyć zasilaniu
układów tranzystorowych, jego wartość zawiera się przeciętnie w granicach od kilku do kilkunastu
woltów. Zasilacz napięcia stałego składa się z transformatora obniżającego napięcie, prostownika oraz
układu elektronicznego (decydującego o właściwościach danego zasilacza). Schemat blokowy takiego
zasilacza przedstawia rys. 1.
Uwe UKA
AD
PROSTOWNIK Uwy R0
ELEKTRONICZNY
~230V
Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza napięcia stałego.
Jeżeli transformator nie posiada odczepu na środku uzwojenia wtórnego, możliwe jest zastosowanie
dwóch rodzajów prostowników:
" jednopołówkowego (jedna dioda prostownicza),
" dwupołowkowego (cztery diody prostownicze w układzie Graetza).
Jeżeli taki odczep transformator posiada, wówczas przeważnie prostownik pracuje jako
dwupołówkowy (tworzą go dwie diody prostownicze).
W zależności od tego, w jaki sposób zbudowany jest układ elektroniczny z rys. 1, zasilacze można
podzielić na następujące grupy:
" niestabilizowane:
o układ elektroniczny z kondensatorem o dużej pojemności
o układ elektroniczny z filtrem dolnoprzepustowym RC lub LC
" stabilizowane:
o układ elektroniczny z diodą Zenera (rys. 2)
o układ elektroniczny z tranzystorem szeregowym (rys. 3)
o układ elektroniczny z tranzystorem równoległym (rys. 4)
Dla ścisłości należy dodać, że przedstawiony podział zasilaczy jest podziałem niepełnym. Pominięto
bowiem układy rzadziej stosowane bądz
takie, które nie mogą być zrealizowane na makiecie
laboratoryjnej: powielacze napięcia, filtry tranzystorowe, zasilacze tyrystorowe, przetwornice napięcia
stałego, zasilacze z regulacyjnymi tranzystorami polowymi i inne.
Poniżej przedstawiono schematy zasilaczy stabilizowanych napięcia stałego:
- 2 -
 D R
Uwe
DZ
C Uwy
~230V
Rys. 2. Układ zasilacza stabilizowanego z diodą Zenera i prostownikiem jednopołówkowym
D
T
R
Uwe
C Uwy
~230V
DZ
Rys. 3. Układ zasilacza stabilizowanego z tranzystorem szeregowym i prostownikiem
jednopołówkowym.
D R
DZ
Uwe
C Uwy
T
~230V
Rys. 4. Układ zasilacza stabilizowanego z tranzystorem równoległym i prostownikiem
jednopołówkowym.
1. 1. Zasilacz stabilizowany z diodą Zenera i z prostownikiem dwupołówkowym
Zasadniczą niedogodność zasilaczy niestabilizowanych - zmianę wartości średniej napięcia
wyjściowego z obciążeniem - można w pewnych granicach wyeliminować przez dołączenie do
prostownika układu z diodą Zenera.. Układ tego rodzaju, współpracujący z prostownikiem
dwupołówkowym, pokazano na rys. 5.
R
D1
Iwy
IZ
Uwe
Uwy
C1 DZ C2 R0
~230V
D2
Rys. 5. Układ zasilacza stabilizowany z diodą Zenera i z prostownikiem dwupołówkowym.
- 3 -
Przystępując do opisu działania omawianego zasilacza, wygodniej będzie na początku pominąć
zagadnienie tętnień napięcia UC1, na kondensatorze C1. Zakładając zatem, że napięcie to ma wartość stałą,
łatwo stwierdzić, że bez obciążenia ( R0 " ) cały prąd płynie przez diodę Zenera. Przyjmując, że jest to
prÄ…d maksymalny IZmax. można napisać nastÄ™pujÄ…ce równanie: UC1 = IZ max Å" R + UZ , gdzie UZ, jest
napięciem na diodzie Zenera; (jednocześnie jest to napięcie wyjściowe Uwy zasilacza). Zmniejszenie
wartości rezystora R, przy danej wartości UC1, spowodowałoby przekroczenie maksymalnego prądu
UC1 - UZ
diody. Zatem, minimalna wartość rezystora R określona jest zależnością: Rmin = . Dołączenie
IZ max
obciążenia spowoduje przejęcie przez gałąz
z R0 pewnej części prądu, płynącego poprzednio (tj. bez
obciążenia) przez diodę. Im wartość R0 będzie mniejsza, tym mniejszy będzie prąd diody. Nie powinien
on zmniejszyć się poniżej wartości IZmin, określonej przez zagięcie charakterystyki diody, gdyż groziłoby
to wyprowadzeniem diody z zakresu stabilizacji napięcia i tym samym - niedopuszczalnie dużą zmianą
napięcia wyjściowego zasilacza. Przyjmując zatem, ze maksymalna wartość prądu obciążenia Iwy max jest
Uwy UZ
UC1 - UZ UC1 -UZ
dana wzorem: Iwymax = = można określić Rmax = H"
R0 min R0 min Iwymax + IZ min Iwymax
W celu poprawnego zaprojektowania układu zasilacza należy zatem znać wartość napięcia
wyjściowego, maksymalnego prądu wyjściowego oraz charakterystykę diody Zenera. Występujące
również we wzorach napięcie UC1 w rzeczywistości nie ma, jak to powyżej założono, wartości stałej.
Chociaż w gruncie rzeczy prąd płynący przez rezystor R w poprawnie zaprojektowanym zasilaczu prawie
nie zmienia się, mimo zmian obciążenia (dla R>R0min), to jednak na kondensatorze C1 można
zaobserwować wyraz
ne tętnienia napięcia. W istocie jest to cecha wszystkich zasilaczy, a jedyną metodą
zmniejszenia tych tętnień (przy zadanym prądzie pobieranym przez zasilacz) jest zwiększenie pojemności
kondensatora C1. Ponieważ, wskutek opisanego zjawiska, tętnienia mogą w pewnym stopniu zmieniać
wartość średnią napięcia UC1 i tym samym powodować błędy obliczenia Rmin i Rmax, na podstawie
podanych wyżej wzorów można sformułować następujące zalecenie: nie należy wybierać R w pobliżu
wyliczonych wartości granicznych, najlepiej - na środku między nimi.
Drugie zalecenie, które można uzasadnić przy pomocy rozszerzonej analizy tego typu układów brzmi
następująco: maksymalny prąd obciążenia Iwy max powinien stanowić 30 do 50% maksymalnego prądu
diody Zenera IZmax.
1.2. Zasilacz stabilizowany z tranzystorem szeregowym i z prostownikiem
jednopołówkowym
Układ ten, nazywany często stabilizatorem wtórnikowym, przedstawiony jest na poniższym rysunku.
D
Iwy
T
R
Uwe
Uwy
C1 C2 R0
~230V
DZ
Rys. 6. Stabilizator wtórnikowy.
Ponieważ tranzystor regulacyjny jest włączony szeregowo z obciążeniem, przedstawiony układ
zalicza się do stabilizatorów szeregowych. Znaczna większość produkowanych obecnie zasilaczy, tak w
wersji scalonej jak i dyskretnej, zalicza siÄ™ do tej kategorii.
- 4 -
Iwy
Ponieważ prąd bazy tranzystora regulacyjnego jest określony zależnością Ib = , przez rezystor R
²0
Iwy
płynie suma prądów bazy i diody Zenera: IR = IZ + . Jeżeli prąd ten jest odpowiednio dobrany i
²0
utrzymuje diodę w zakresie stabilizacji, napięcie na niej pozostaje prawie stałe i równe UZ. Napięcie
wyjściowe zasilacza jest określone oczywistą zależnością: Uwy = UZ -UBE , gdzie: UBE jest napięciem
baza-emiter przewodzącego tranzystora regulacyjnego. W przypadku, gdy wartość prądu wyjściowego
jest duża, to, zgodnie z przebiegiem charakterystyk tranzystora, napięcie UBE w tranzystorze krzemowym
przyjmuje wartość 0,8...0,9 V. Jeżeli z kolei zasilacz pracuje z małym prądem wyjściowym, napięcie to
spada do wartości 0,5...0,6 V. Widać więc, że przyjęcie typowej wartości UBE = 0,7V może prowadzić do
nadmiernych uproszczeń.
Rezystancję R wyznacza się podobnie jak w przypadku stabilizatora z diodą Zenera. Jeżeli Iwy H" 0,
wówczas przez rezystor R płynie prąd tylko diody, a więc w wariancie najbardziej niekorzystnym:
UC1 -UZ
Rmin = . Zwiększenie prądu obciążenia zmniejsza prąd płynący przez diodę. Wartość tego
IZ max
UC1 -UZ
prądu nie powinna być niższa niż IZmin, zatem: Rmax = . Również i tu obowiązuje
Iwymax
IZ max +
²0
konieczność przestrzegania relacji między maksymalnym prądem obciążenia a maksymalnym prądem
1
diody: Å" Iwy max = (30%& 50%) Å" IZ max
²0
W tranzystorze regulacyjnym wydziela siÄ™ moc: PT = Iwy Å" (UC1 -Uwy )
Ze względu na to, że wykorzystany w makiecie tranzystor BC107 nie posiada radiatora, można
przyjąć, że przeciętnie Iwy max = 50& 60 mA, o ile różnica UC1  Uwy nie przekracza 10 V.
1.3. Pomiary parametrów zasilaczy
W każdym z opisanych zasilaczy napięcie wyjściowe maleje ze wzrostem prądu, pobieranego przez
obciążenie. Spadek napięcia jest wyraz
ny w zasilaczu niestabilizowanym i mniej wyraz
ny w
stabilizowanym: jakościowo pokazuje to rys. 9.
Uwy
Uwe=constans
Uwy max
Uwy1
P(Iwy0,Uwy0)
Uwy0
Uwy2
Iwy
Iwy1 Iwy0 Iwy2
Rys. 7. Zależność Uwy= f(Iwy) zasilacza napięcia stałego.
- 5 -
Dokonując stałoprądowego pomiaru Uwy = f(Iwy) otrzymuje się krzywą przedstawianą na rysunku linią
ciągłą (mierniki pokazują bowiem średnią wartość napięcia i prądu). W istocie jednak na wartość średnią
napięcia wyjściowego nakładają się tętnienia, których amplituda wzrasta w miarę zwiększania się prądu
wyjściowego. Obwiednia napięcia tętnień pokazana została na rysunku linią przerywaną. Pełnej
charakterystyki z rys. 7. nie można otrzymać bezpośrednio; na ogół mierzy się ją osobno dla prądu
stałego i osobno dla prądu zmiennego, a póz
niej dodaje oba wykresy.
Na podstawie krzywej ciągłej z rys. 7 można obliczyć podstawowy parametr, obrazujący jakość
zasilacza napięcia stałego - rezystancję wyjściową w punkcie P(Iwy0,Uwy0) . Oznaczając ją przez r, można
Uwy2 - Uwy1
"Uwy
wprowadzić definicję: r = = przy czym z rysunku wynika, że r zmienia się z
"Iwy
Iwy2 - Iwy1
prądem Iwy dość silnie dla małych wartości tego prądu; póz
niej osiąga wartość prawie stałą.
Uwy
R0 = const.
Uwy2
Uwy0
P(Uwe0,Uwy0)
Uwy1
Uwe
Uwe1 Uwe0 Uwe2
Rys. 8. Zależność Uwy= f(Uwe) zasilacza napięcia stałego.
Drugim ważnym parametrem, charakteryzującym jakość zasilacza napięcia stałego, jest współczynnik
Uwy2 -Uwy1
"Uwy
Uwy0 Uwy0
stabilizacji napięcia w punkcie P(Uwe0, Uwy0) określany wzorem: S = =
"Uwe
Uwe2 -Uwe1
Uwe0
Uwe0
R0 =const.
gdzie: przez Uwe należy rozumieć napięcie na kondensatorze C1 w układach z rys. 5. i rys. 6., natomiast
"Uwy i "Uwe oznaczają przyrosty odpowiednich napięć na wyjściu i wejściu zasilacza. Przyglądając się
definicji współczynnika stabilizacji można powiedzieć, że jest on miarą  odporności zasilacza na zmiany
napięcia wejściowego. Im wartość S jest mniejsza, tym lepszy jest zasilacz. Wartość S wyznaczana jest
metodą stałoprądową. Oczywiste jest, że przed dołączeniem zasilacza wytwarzającego Uwe należy od
badanego układu odłączyć prostownik.
Tętnienia na wejściu i wyjściu zasilacza można obserwować na oscyloskopie.
- 6 -
2. Przebieg ćwiczenia
2.1. Pomiar charakterystyki Uwy=f(Uwe) zasilacza stabilizowanego
Schematy pomiarowe
R
Uwe DZ
E Uwy R0
V1 V2
Rys. 9. Układ do pomiaru charakterystyki stałoprądowej Uwy=f(Uwe) zasilacza stabilizowanego.
Sposób przeprowadzenia pomiarów
" Połączyć układ pomiarowy przedstawiony na rys. 9. (R = 100&!, R0=1k&!, DZ  C10)
" Wykonać pomiary charakterystyki stałoprądowej Uwy=f(Uwe) R0=const zasilacza
stabilizowanego. Pomiar polega na ustawieniu na regulowanym zasilaczu E napięcia
wejściowego Uwe (woltomierz V1) i odczycie napięcia wyjściowe Uwy (woltomierz V2).
Wyniki należy zanotować w tabeli 1. Napięcie wejściowe Uwe należy zmieniać w zakresie
od 0 do 16V.
" Powtórzyć pomiary dla R0 = 470&!. i R0 = 10k&!
Tabela pomiarowa
Tabela 1. Pomiar charakterystyki wyjściowej zasilacza niestabilizowanego Uwy = f (Uwe)
R0 = 1k&! R0 = 470&! R0 = 10k&!
Lp.
Uwe [mA] Uwy[V] Uwe [mA] Uwy[V] Uwe [mA] Uwy[V]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
- 7 -
2.2. Pomiar charakterystyki wyjściowej Uwy=f(Iwy) zasilacza stabilizowanego
Schematy pomiarowe
D R
Iwy
mA
Uwe
DZ
C Uwy
V
~230V
R0
Rys. 10. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza stabilizowanego
z prostownikiem jednopołówkowym.
D1
R
Iwy
D2
mA
Uwe
DZ
C Uwy
V
D3
~230V
R0
D4
Rys. 11. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza stabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym (układ Graetza)
D1 R
Iwy
mA
Uwe
DZ
C Uwy
V
~230V
R0
D2
Rys. 12. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza stabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym (2 diody)
Sposób przeprowadzenia pomiarów
" PoÅ‚Ä…czyć ukÅ‚ad pomiarowy przedstawiony na rys. 10. (C=25µF, R=100&!, R0=1k&!, DZ  C10)
" Wykonać pomiary charakterystyki wyjściowej Uwy=f(Iwy) Uwe=const zasilacza
stabilizowanego. Pomiar polega na odczycie prądu wyjściowego Iwy (miliamperomierz mA)
i napięcie wyjściowego Uwy (woltomierz V) przy ustalonej rezystancję obciążenia R0. Wyniki
należy zanotować w tabeli 1. Rezystancję obciążenia R0 należy zmieniać w granicach od
560k&! do 10&!.
" Powtórzyć pomiary dla układu zasilacza stabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym
(rys. 10. lub rys. 11.).
- 8 -
Tabela pomiarowa
Tabela 2. Pomiar charakterystyki wyjściowej zasilacza stabilizowanego Uwy = f (Iwy )
Prostownik dwupołówkowy Prostownik dwupołówkowy (2
Prostownik jednopołówkowy
Lp
(Gretza) diody)
Iwy [mA] Uwy[V] Iwy [mA] Uwy[V] Iwy [mA] Uwy[V]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
2.3. Badanie przebiegów czasowych napięć zasilacza stabilizowanego
Schematy pomiarowe
D
R
Uwe
DZ
C
R0
~230V
kanał A kanał B
Oscyloskop
Rys. 13. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza stabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym.
D1
R
D2
Uwe
DZ
C
R0
D3
~230V
D4
kanał A kanał B
Oscyloskop
Rys. 14. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza stabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym (układ Graetza).
- 9 -
D1 R
Uwe
DZ
C
R0
~230V
D2
kanał A kanał B
Oscyloskop
Rys. 15. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza stabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym (2 diody).
Sposób przeprowadzenia pomiarów
" PoÅ‚Ä…czyć ukÅ‚ad pomiarowy przedstawiony na rys. 13. (C=25µF, R=100&!, R0=1k&!, DZ C10)
" Narysować przebieg wejściowy Uwe(t) (kanał A oscyloskopu) oraz przebiegi wyjściowe Uwy(t)
(kanał B oscyloskopu) dla różnych wartości pojemności C i obciążenia R0 podanych przez
prowadzÄ…cego.
" Połączyć układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza niestabilizowanego z
prostownikiem dwupołówkowym (rys. 14.) lub (rys. 15.) i wykonać podobne pomiary.
3. Opracowanie wyników pomiaru
W sprawozdaniu należy zamieścić:
1. Schematy pomiarowe realizowane na ćwiczeniu.
2. Tabele pomiarowe z wynikami.
3. Charakterystyki Uwy = f(Uwe) dla różnych wartości rezystancji obciążenia R0.
4. Wyznaczyć współczynnik stabilizacji S w punkcie określonym przez prowadzącego zajęcia.
5. Charakterystyki wyjściowe Uwy = f(Iwy) dla zasilacza stabilizowanego z prostownikiem jedno- i
dwupołówkowym. Wyznaczyć rezystancję wyjściową r w punkcie określonym przez prowadzącego
zajęcia.
6. Przebiegi sygnału wejściowego i wyjściowych dla badanych układów i różnych wartości C oraz R0.
7. Wnioski.
- 10 -