Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki
dla studentów WIP
Temat:
ZASILACZE STABILIZOWANE
I UKA
ADY UPS
materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki
wyłącznie do użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania
Zakład Trakcji Elektrycznej
IME PW 2003
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania i zbadanie układów
stabilizatorów napięcia oraz układów podtrzymania napięcia.
2. Wiadomości ogólne o stabilizatorach napięcia
2.1 Zasilacze.
Każde urządzenie elektryczne wymaga z
ródła zasilania. Najprostszy zasilacz
napięcia stałego zawiera transformator separujący, który jednocześnie
dostosowuje napięcie wyjściowe do niezbędnego poziomu, prostownik oraz filtr
wygładzający napięcie wyjściowe.
transformator prostownik układ filtrujący
Uwej.
Uwypr Uwyj
U wy transf
Rys.1.
Zasadę działania ilustruje schemat blokowy i przebiegi napięć z rysunku 1.
Napięcie na wyjściu takiego układu może zmieniać się w dużych granicach pod
wpływem obciążeniowego spadku napięcia w uzwojeniu wtórnym transformatora i
wahań w sieci zasilającej.
Jak widać na rys. 1b przebieg wyjściowy zawiera pulsację wynikającą z tętnień
napięcia wyprostowanego i ciągłego rozładowywania kondensatora filtrującego.
Zawartość składowej zmiennej w napięciu wyprostowanym określona jest przez
współczynnik tętnień k.
1
Ut
k =
U
śr
Ut - wartość skuteczna składowej zmiennej w napięciu wyprostowanym
Uśr - średnia wartość napięcia wyprostowanego
Jednofazowe prostowniki stosowane w stabilizatorach napięcia możemy podzielić
ze względu na kształt napięcia wyjściowego na jednopołówkowe lub
dwupołówkowe. W konkretnych rozwiązaniach urządzeń zasilających ze względu
na lepsze wykorzystanie energii prądu zmiennego, uzwojeń transformatora,
mniejszą pulsację napięcia wyprostowanego powszechnie stosuje się prostowniki
dwupołówkowe. Rys.2.
a/ układ dwu diodowy; b/ układ mostkowy (Groetz'a)
c/ Przebiegi napięć i prądów.
U, I
t
2
Kondensator C1 pełni rolę filtru wygładzającego tętnienia.
Wielkość tętnień określa się współczynnikiem otrzymywanym ze wzoru;
1
kt =
4 3 fC1Robc
f- częstotliwość napięcia zasilającego
Amplituda pulsacji napięcia Ut jest proporcjonalna do prądu rozładowującego
kondensator C1.
Iobc'
Ut =
2 fC
Diody prostownicze przewodzą krótkie impulsy prądowe o dużej amplitudzie w
chwilach gdy napięcie z prostownika przekroczy napięcie na kondensatorze.
Średnia wartość prądu płynącego przez diodę równa jest połowie prądu
obciążenia. Napięcie na wyjściu zasilacza e stanie jałowym odpowiada wartości
szczytowej napięcia zmiennego na wejściu prostownika pomniejszonej o spadek
napięcia na diodach (0,7-1,0 V dla diod krzemowych).
Przedstawiony wyżej układ nie nadaje się do bezpośredniego zasilania większości
układów elektronicznych. Charakteryzują go duże tętnienia, silna zależność
napięcia wyprostowanego od prądu obciążenia i wahań napięcia zasilania. W celu
wyeliminowania tych czynników stosuje się specjalne układy elektroniczne,
stabilizacyjne umieszczane za filtrem wygładzającym.
Działanie stabilizatorów oparte jest na nieliniowej charakterystyce prądowo-
napięciowej regulatora. Głównie wykorzystuje się tu diody Zenera jako elementy
wartości napięcia odniesienia, a także warystory i neonówki.
Stabilizatory można podzielić na parametryczne, kompensacyjne lub impulsowe,
w zależności od sposobu sterowania układem regulacji napięcia. Jakość
stabilizacji każdego układu jest inna i określa się ją następującymi parametrami:
1/ współczynnik stabilizacji napięcia Gu
"U
wy
Gu =
"U
we
2/ względny współczynnik stabilizacji Su
U
we
Su = Gu
U
wy
3/ rezystancja wyjściowa stabilizatora ro
- "U
wy
ro = dla U = const
we
"I
wy
3
4/ temperaturowy współczynnik stabilizacji łT
"U
wy
Å‚ = dla U = const oraz I = const
T wy wy
"T
2.2 Stabilizatory parametryczne
Są to najprostsze układy w których element regulacyjny włączony jest równolegle
do odbiornika. Napięcie na odbiorniku utrzymuje się na stałym poziomie w
wyniku zmian rezystancji regulatora.
R1
R
U obc
we
U
Regulator wy
Rys.3 Stabilizator parametryczny.
Na powyższym rysunku regulatorem jest dioda Zenera. Diody Zenera są tym
typem diod, w których wykorzystuje się ich właściwości na odcinku
charakterystyki w zakresie przebicia wstecznego (stan polaryzacji w kierunku
zaporowym, katoda jest spolaryzowana napięciem dodatnim w stosunku do anody
diody). Stan przebicia charakteryzuje stałe napięcie praktycznie niezależne od
zmian prądu. Dopuszczalna wartość tego prądu ograniczona jest dopuszczalną
temperaturą złącza. Określa się go na podstawie wzoru:
PTOT
I =
D max
U
Z
PTOT - maksymalna moc rozpraszana przez diodÄ™
UZ - napięcie Zenera
Napięcie Zenera może być efektem dwóch zjawisk.
Pierwsze polega na lawinowym zwiększeniu liczby nośników przez zderzenia ich z
siecią krystaliczną pod wpływem pola elektrycznego. Drugie zjawisko nazywa się
przebiciem Zenera i występuje, gdy natężenie pola elektrycznego w warstwie
zaporowej jest tak duże, że wyrywane są pojedyncze elektrony walencyjne.
Powstają wówczas pary nośników typu dziura - elektron umożliwiające przepływ
prądu wstecznego. W tym przypadku nie występuje lawinowe powielanie
nośników.
4
Zasadę działania stabilizatora parametrycznego najłatwiej zobrazować za pomocą
charakterystyki prądowo - napięciowej diody Zenera.
Rys.4
U R U
we2 1
U R
we2 1
R + Robc2
kierunek
1
R + Robc1
przewodzenia
1
U R
we1 1
R + Robc
1
I
I
P
tot
U
we1
I I
R
1
I I I
U
we2
R
1
"Uwy
Punkty I, II, III odpowiadają punktom pracy diody w przypadku zmiany napięcia
wejściowego Uwejś2> Uwejś1 i zmiany rezystancji obciążenia R obc2> Robc1.
Jak widać zwiększenie napięcia wejściowego lub rezystancji obciążenia powoduje
wzrost prÄ…du wstecznego diody od punktu I do III przy niewielkiej zmianie
napięcia wyjściowego. " Uwy z reguły jest mniejsze od 0,4 V i im mniejsze tym
lepsza jest stabilizacja.
Przy projektowaniu stabilizatorów należy zwrócić uwagę na to, aby nie został
przekroczony maksymalny prąd diody Zenera. W przedstawionym układzie
obliczamy go za pomocÄ… wzoru:
UWE max - U U
Z Z
I = -
D max
R1 Robc max
Rezystor R1 dobiera się ze względu na maksymalny prąd obciążenia tak, aby nie
został przerwany prąd polaryzujący diodę w kierunku zaporowym.
Ze względu na małą moc stabilizatorów Zenera PTOT<1W i stosunkowo mały
współczynnik stabilizacji, zakres zastosowań układów w tej postaci jest bardzo
ograniczony. Stosuje się diody Zenera jako elementy napięcia odniesienia
pracujące w układach elektronicznych bardziej zaawansowanych i
rozbudowanych.
5
2.3 Stabilizatory kompensacyjne
Zasada działania układu polega na ciągłym kompensowaniu przez regulator
różnicy pomiędzy napięciem wyjściowym i napięciem z
ródła odniesienia.
Stabilizatory tego typu mogą pracować w połączeniu równoległym lub szeregowym
rys.5. Decyduje o tym sposób włączenia elementu regulatora w stosunku do
obciążenia.
Reg
Rys. 5 . Schemat blokowy stabilizatora a/ równoległego b/ szeregowego
W trakcje ćwiczenia będziemy badali układy szeregowe. Regulatory równoległe
stosuje się rzadko ze względu na małą sprawność /straty mocy w rezystorze
szeregowym R1/ i niską jakość stabilizacji.
W zasilaczach o mocy od kilku do kilkuset watów rolę regulatorów pełnią
tranzystory wykonawcze dużej mocy. Mogą to być tranzystory bipolarne, jak
również coraz bardziej wykorzystywane tranzystory unipolarne. Obecnie ich moce
sięgają do 1kW a zakresy napięciowe do 1 kV.
W układach porównujących i wzmacniaczach błędu "U stosuje się zazwyczaj
układy tranzystorowych wzmacniaczy prądu stałego lub operacyjne wzmacniacze
różnicowe. Obecnie od wielu lat przechodzi się do stosowania stabilizatorów
monolitycznych zawierajÄ…cych wszystkie bloki funkcjonalne wewnÄ…trz jednej
struktury półprzewodnika. Są to układy typu wejście/wyjście o znamionowym
napięciu wyjściowym np. 5, 9, 12, 15 ,18, 24 wolty oraz odpowiednio o
identycznych napięciach ujemnych względem masy.
Schemat najprostszego szeregowego stabilizatora kompensacyjnego
przedstawiony jest na rys. 6.
6
Rys.6.
Napięcie z
ródła odniesienia doprowadzone jest bezpośrednio do bazy tranzystora
wykonawczego. Tranzystor pracuje w konfiguracji wtórnika emiterowego. Napięcie
wyjściowe jest mniejsze od napięcia na diodzie Zenera o spadek napięcia UBE na
złączu baza - emiter tranzystora.
U = U - U
wyj z
r BE
Tranzystor jest wzmacniaczem prądu stałego o dużej rezystancji wejściowej:
Rwe = Robc (² + 1)
²- współczynnik wzmocnienia prÄ…dowego tranzystora
Dzięki temu prąd diody Zenera zmienia się w niewielkich granicach co znacznie
rozszerza zakres pracy tych układów w stosunku do układów parametrycznych.
Dobór elementów sprowadza się do wyboru tranzystora i obliczenia danych
stabilizatora parametrycznego składającego się z diody Zenera i opornika R1.
Tranzystor dobiera się stosownie do maksymalnej wartości prądu obciążenia i
maksymalnego spadku napięcia pomiędzy kolektorem i emiterem UCEO oraz
traconej mocy.
Ic e" I
wy max
UCEO e" UWE max - UWY min
PTOT e" UCE IWY max
Prąd pobierany z układu rezystora i diody można określić znając współczynnik
wzmocnienia prÄ…dowego tranzystora:
I
wy
I =
Dz
²
7
Doskonalszym rozwiązaniem stabilizatora kompensacyjnego jest układ
przedstawiony na rys. 7.
Rys.7
Zastosowano tutaj dodatkowy wzmacniacz błędu na tranzystorze T2. Układ
realizuje funkcjÄ™:
R2
U + U = UWY
Z BET 2
R1 + R2
a stąd możemy wyznaczyć wartość napięcia wyjściowego:
R1
UWY = (U + U ) " (1 + )
Z BET 2
R2
Stabilizator dąży do zrównania napięcia z
ródła odniesienia z napięciem na
oporniku R2. Nadmierny wzrost napięcia wyjściowego powoduje wzrost prądu
IBET2 bazy tranzystora T1. Ponieważ UWY = UBT1 - UBET1 to zwiększanie
napięcia wyjściowego jest kompensowane i utrzymuje się je na poziomie wartości
stabilizowanej.
Na poprawę jakości stabilizacji wpływa polaryzowanie diody Zenera prądem
pobieranym z wyjścia stabilizatora oraz duże wzmocnienie wzmacniacza błędu.
Tranzystor T2 jest najczęściej elementem małej mocy o dużym wzmocnieniu. Tam,
gdzie wymagamy bardzo dokładnej stabilizacji zamiast tranzystora T2 stosujemy
wzmacniacz operacyjny. Rys.8.
Zapewnia on bardzo duże wzmocnienie napięciowe Ku w pętli sprzężenia
zwrotnego, co bezpośrednio wpływa na jakość stabilizacji.
1
Gu = A "
Ku
8
A- współczynnik proporcjonalności bliski 1.
Rys.8
2.4 Stabilizatory impulsowe
Jest to trzecia grupa układów stabilizacyjnych charakteryzująca się największą
sprawnością przetwarzania dochodzącą do 98%. Tak dużą sprawność
zawdzięczają one impulsowej technice sterowania regulatorem. Element
wykonawczy, tranzystor lub tyrystor pracuje tutaj dwu stanowo /nasycony-
włączony lub odcięty-zablokowany/, a większość strat mocy przypada na proces
przełączania i zależy od częstotliwości impulsów sterujących. Dodatkową zaletą
układów impulsowych jest wyeliminowanie dużych transformatorów wejściowych
w układach. Wadą stabilizatorów impulsowych są duże tętnienia napięcia
wyjściowego i bezwładność stabilizacji ograniczona przez częstotliwość pracy.
Wymagają one stosowania specjalnych filtrów wygładzających. W konkretnych
rozwiązaniach łączy się je często ze stabilizatorami o działaniu ciągłym, gdzie
pełnią rolę układu obniżającego napięcie.
Rys.9a Schemat blokowy tranzystorowego stabilizatora impulsowego obniżającego
napięcie.
9
Rys.9b. Przykładowe przebiegi w stabilizatorze impulsowym.
"Uc  wartość między szczytowa napięcia na wyjściu stabilizatora
UCET1  przebieg napięcia na tranzystorze T1
iL  prąd wyjściowy
tw - czas wyłączenia tranzystora
tz  czas załączenia tranzystora
2.5 Układy zabezpieczeń przeciwprzeciążeniowych.
Wadą szeregowych stabilizatorów napięcia jest ich wrażliwość na przeciążenia.
Przekroczenie dopuszczalnej wartości prądu jest przyczyną większości uszkodzeń
tranzystora wykonawczego T1. W celu zabezpieczenia stosuje siÄ™
przewymiarowanie elementów, projektuje się specjalne układy chłodzenia
/radiatory/ oraz kosztem skomplikowania zasilaczy włącza się układy
dynamicznego ograniczania lub wyłączania prądu. W układach monolitycznych
rolę ogranicznika pełni dodatkowy tranzystor oraz zewnętrzny opornik Rsc.
Mechanizm działania ilustruje rys. 10.
10
a/ schemat układu zabezpieczenia nad prądowego
b/ charakterystyka zabezpieczenia prosta
Prąd obciążenia pobierany z wyjścia zasilacza przepływa przez niewielki opornik
Rsc. Spadek napięcia na tym oporniku doprowadzony jest do złącza baza-emiter
tranzystora ograniczającego. W chwili, gdy prąd przekroczy wartość dopuszczalną,
napięcie na oporniku przewyższy próg polaryzacji złącza baza emiter tranzystora
ograniczającego i włączony tranzystor zbocznikuje szeregowy tranzystor
wykonawczy T1 nie dopuszczajÄ…c do dalszego wzrostu prÄ…du pobieranego przez
odbiornik. Dalej zasilacz zachowuje siÄ™ jak z
ródło prądowe. rys.10b.
W prostych stabilizatorach kompensacyjnych stosuje się nieco inny sposób
podłączenia układu przeciwzwarciowego. rys.11
Rys.11
3. UrzÄ…dzenia do bezprzerwowego zasilania UPS
Coraz więcej systemów i urządzeń wymaga zasilania o bardzo dużej
niezawodności. Jedynie lokalne z
ródła zasilania znajdujące się najbliżej odbioru
mogą zapewnić wystarczającą niezawodność. y
ródłem energii o dużej
niezawodności są akumulatory (powszechnie wykorzystywane w telefonii). Gdy
wymagany jest prąd przemienny występować musi dodatkowo falownik, który
11
przetworzy prąd stały na prąd przemienny. Do zasilania bezprzerwowego
wykorzystuje się dwa typy UPS-ów : off-line i on-line (rys12). UPS-y wykonuje się
jako urządzenia l i 3 fazowe na wejściu i wyjściu. Najczęściej dla napięć
220V/50Hz lub 220V/380Vjako trójfazowe (w USA na 110V/60Hz). Zasobnikami
energii są najczęściej akumulatory kwasowe w wykonaniu gazoszczelnym lub
żelowym (ze względów ekonomicznych). Czas podtrzymania zasilania na wyjściu
po zaniku napięcia zasilającego na wejściu zależy od pojemności akumulatorów,
sprawności falownika (ponad 90%) i pobieranej mocy. Czas ten waha się od kilku
minut do kilku godzin. Tam gdzie wymagany jest dłuższy czas podtrzymania
zasilania stosuje siÄ™ generatory z silnikiem Diesla. Akumulatory zapewniajÄ…
energię w czasie od zaniku napięcia zasilania do chwili uruchomienia generatora.
Moce stosowane od l00W do kilku MW.
Akumulator jest doładowywany w obu UPS-ach w sposób ciągły. W UPS-ie off-line
odbiory są zasilane przez obwód obejścia.  By-passy" bezpośrednio z sieci
zasilającej. Falownik pracuje na jałowo lub nie pracuje. Gdy napięcie zasilające
jest za niskie lub za wysokie następuje przełączenie wyjścia w krótkim czasie
(około 0,25 okresu, czyli 5ms) na zasilanie z falownika. Po powrocie prawidłowego
zasilania sieciowego w ciągu kilku do kilkunastu sekund następuje
synchronizacja falownika z siecią zasilającą i przełączenie wyjścia na zasilanie z
sieci.
W UPS-ie on-line odbiory są zasilane przez falownik w sposób ciągły. Tylko w
chwili gdy nastąpi przeciążenie na wyjściu następuje przełączenie wyjścia UPS-w
krótkim czasie na zasilanie z sieci. W czasie normalnej pracy wyjście UPS-a jest
odseparowane od wejścia. Podczas zaniku zasilania na wejściu nie występuje
przerwa potrzebna na przełączenie .wyjścia jak w UPS-ie of-line. Najczęściej UPS-
y on-line mają transformatory. Są one droższe i cięższe niż UPS-y of-line, gdyż
muszą posiadać prostownik dostosowany do pracy z pełną mocą znamionową
wyjścia, falownik musi być dostosowany do pracy ciągłej (a nie krótkotrwałej).
12
rys. 12 Schemat blokowy UPS-ów on-line i off-line.
UPS off-line przy prawidłowym zasilaniu z sieci
Tego rodzaju UPS-y cechuje niższa sprawność w czasie pracy przy prawidłowym
zasilaniu ze względu na straty w prostowniku i falowniku.
4. Przebieg ćwiczenia
4.1 Badadnie stabilizatora parametrycznego
Połączyć układ wg następującego schematu:
Rogr
A1 A2
zasilacz
R
V1 V2
obc
V1  woltomierz analogowy o zakresie do 10V
A1,A2 - miliamperomierz o zakresie do 100 mA
13
V2  woltomierz cyfrowy o dużej rezystancji wejściowej i zakresie do 10V
a/ Zmierzyć rozkład napięć i prądów dla stałego obciążenia w całym zakresie
zmian napięcia wejściowego od 0 do 20V. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1.
Tabela 1.
Robc=const
I1 I2 ID
U1 U2
Lp. [V] [V] [mA] [mA] [mA]
1
2
3
Oblicz:
ID= I1-I2 [mA]
Wykreśl funkcje:
ID= f(U1) ; U2 = f(U1)
Określić wielkość współczynnika stabilizacji GU, oraz rezystancję wyjściową ro.
b/ Zbadać charakterystykę obciążeniową układu stabilizatora. Ustawić napięcie
wejściowe U1= 10V a następnie zmieniać obciążenie ro, tak aby nie przekroczyć
prÄ…du I1 = 80 mA.
Tabela 2.
U1=const
I1 I2 ID Robc
U2
Lp. [V] [mA] [mA] [mA]
&!
1
2
3
Obliczyć:
ID= I1-I2 [mA]
U2
Robc =
I2
Wykreślić charakterystyki:
Robc= f(ID, I2)
14
4.2 Badanie stabilizatora kompensacyjnego.
Połączyć układ wg następującego schematu;
A
zasilacz
V1 V2
V1  woltomierz analogowy o zakresie do 30V
A - miliamperomierz o zakresie do 750 mA
V2  woltomierz o dużej rezystancji wejściowej do 30V
Wyniki pomiarów umieścić w tabelach:
Robc=const U1=const
U1 U2 I U2 I Robc
Lp. V V mA Lp. V mA
&!
1 1
2 2
3 3
Określić wielkość współczynnika stabilizacji GU, oraz rezystancję wyjściową ro.
Wykreślić charakterystyki:
I= f(U1) ; U2 = f(U1)
Włączyć w obwód układ zabezpieczenia prądowego i zmierzyć wielkość
ograniczonego prÄ…du.
4.3 Badanie stabilizatora monolitycznego 5V.
Schemat układu pomiarowego:
+
we wy
A
U =5V
zasilacz wy
V1 V2
-
15
Pomiary wykonać według poleceń z punktu 4.2.
4.4 Badanie układu UPS
Schemat układu pomiarowego. H/u  hallotronowy przetwornik napięcia, H/i 
hallotronowy przetwornik prÄ…du.
Badane będzie zachowanie się UPS-a typu of-line przy zmianach napięcia
zasilającego dla różnych typów obciążenia.
Uwaga -ze względu na małą pojemność akumulatora należy starać się by UPS
pracował z akumulatorów jak najkrócej.
1) - Załączyć napięcie zasilające 220V na tablicy zasilającej.
Na autotransformatorze ustawić 220V.
Na wyjście UPS-a podłączyć rezystor o rezystancji >250&!. Załączyć napięcie na
rezystor (wyjście UPS-a). Zmierzyć zależność mocy, prądu i napięcia Pwej, Iwej,
Uwyj od napięcia wejściowego Uwej dla stałej rezystancji obciążenia. Pomierzyć
dokładnie napięcie w momencie przełączenia na tryb AVR (podwyższanie napięcia
zasilania) i przejścia na zasilanie z akumulatorów i przejścia odwrotne.
Uwej 220 210 200 maleje 120 140 rośnie 250 maleje ... 220
[V]
Uwyi[V
]
Iwej
[A]
Pwej
[W]
Na oscyloskopie zaobserwować przebieg napięcia wyjściowego dla różnych stanów
pracy UPS-a Zmierzyć poziom harmonicznych w napięciu wyjściowym przy
zasilaniu na wejściu 220V (zasilanie sieciowe) i 120V (zasilanie z akumulatorów
przez falownik). Zarejestrować na oscyloskopie proces przejścia przy zmianie
napięcia z 220v na 0V. Wyłączyć napięcie wejściowe.
16
Zarejestrować przy wolnej podstawie czasu w oscyloskopie proces synchronizacji
napięcia wyjściowego przy zmianie napięcia wejściowego z zera na 220V. Wejścia
oscyloskopu podłączyć do wyjść hallotronowego przetwornika napięcia.
2) - UPS zasilany z 220V. Wyłączyć wyjście UPS-a. Na wyjściu odłączyć rezystor a
dołączyć komputer. Załączyć wyjście UPS-a. Włączyć komputer. Pouruchomieniu
się komputera zaobserwować napięcie wyjściowe i prąd wyjściowy po wyłączeniu
zasilania UPS-a (praca z akumulatora). Zmierzyć harmoniczne napięcia
wyjściowego i prądu za pomocą oscyloskopu. UPS zasilić 220V
3) - Zmienić obciążenie na drukarkę i przeprowadzić pomiary jak w punkcie 2
W sprawozdaniu przedstawić uzyskane wyniki pomiarów i obliczeń. Porównać
przebieg prÄ…du przy zasilaniu rezystancji i zasilacza komputerowego z falownika
UPS-a.
Pytania kontrolne :
1. Definicje współczynników stabilizacji
2. Dobór parametrów stabilizatora parametrycznego
3. Idea pracy stabilizatorów kompensacyjnych
4. Zalety i wady stabilizatorów impulsowych
5. Na czym polega praca układów zabezpieczenia nadprądowego w stabilizatorach
6. Różnice UPS typu of-line i on-line
17