Ćwiczenie nr 6

Stabilizatory napięcia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i własnościami stabilizatorów napięcia wykonanymi w postaci monolitycznej. W ćwiczeniu zostaną wykonane badania stabilizatorów typu 78M12, 79M05, LM317. Stabilizatory napięcia są jednym z najczęściej używanych układów elektronicznych. Powszechność ich stosowania wynika z faktu, że większość układów elektronicznych jest zasilana stabilizowanym napięciem stałym.

1. Stabilizatory napięcia stałego

Ze względu na sposób regulacji napięcia wyjściowego stabilizatory dzielą się na:

- stabilizatory o działaniu ciągłym

- parametryczne

- kompensacyjne

- stabilizatory impulsowe.

Scalone kompensacyjne stabilizatory o działaniu ciągłym charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami stabilizacyjnymi oraz szybką reakcją na zmiany obciążenia. Nie wytwarzają własnych zakłóceń. Mają jednak małą sprawność energetyczną (zwykle do 60%) oraz wymagają, na ogół, zasilacza z transformatorem sieciowym, którego duża masa i duże wymiary nie pozwalają na miniaturyzację sprzętu zasilanego z takiego zasilacza.

Uzyskiwanie dużych sprawności energetycznych (do około 95%) przy małych wymiarach transformatora (lub bez transformatora) umożliwiają stabilizatory impulsowe. Odbywa się to jednak kosztem mniejszej stałości napięcia wyjściowego i wolniejszej reakcji na zmiany obciążenia. Stabilizatory impulsowe wytwarzają ponadto zakłócenia elektromagnetyczne, przedostające się do układów zasilanych i do źródła energii pierwotnej (np. sieci oświetleniowej).

Niezależnie od konstrukcji stabilizatory są charakteryzowane za pomocą dwóch podstawowych grup parametrów: parametrów granicznych (dopuszczalnych) oraz parametrów eksploatacyjnych. Parametry dopuszczalne określają warunki, których pod groźbą uszkodzenia stabilizatora lub jego elementów nie należy przekraczać. W szczególności należy tutaj wymienić maksymalne napięcie (lub napięcia) wejściowe stabilizatora, maksymalny prąd wyjściowy (lub rodzaj zabezpieczenia przed zwarciem w obciążeniu), a także maksymalną moc strat. Dodatkowo należy dbać, aby w całym zakresie pracy nie została przekroczona maksymalna temperatura pracy dla żadnego z elementów stabilizatora.

Druga z wymienionych grup parametrów obejmuje informacje dotyczące stałości napięcia wyjściowego stabilizatora i warunków koniecznych do jej utrzymania. Obok tolerancji napięcia stabilizowanego szczególnie istotne są parametry określające wrażliwość jego wartości na warunki pracy stabilizatora, przede wszystkim na zmiany wartości napięcia zasilającego i prądu obciążenia. Jednym z podstawowych parametrów jest współczynnik stabilizacji napięcia od zmian napięcia wejściowego S_U określający przyrost napięcia wyjściowego spowodowany zmianą napięcia wejściowego i zdefiniowany jako:

(1)

Drugim bardzo ważnym parametrem stabilizatora jest dynamiczna rezystancja wyjściowa, opisująca zmiany napięcia wyjściowego pod wpływem zmian prądu obciążenia. Jest ona definiowana zależnością:

(2)

Typowe wartości współczynnika stabilizacji S_U są rzędu 0,001 do 0,1 a wartości rezystancji wyjściowej stabilizatora zawierają się w granicach od 1mΏ do 100Ώ.

2. Stabilizatory kompensacyjne

1. Stabilizatory napięcia kompensacyjne możemy podzielić na następujące typy:

- stabilizatory o działaniu ciągłym

- szeregowe

- równoległe

W ćwiczeniu badać będziemy stabilizatory o działaniu ciągłym. Zasada działania stabilizatora kompensacyjnego polega na zmianie rezystancji statycznej elementu regulacyjnego (np. tranzystora mocy), który jest sterowany różnicą napięć (tzw. sygnał błędu - ε ), uzyskiwaną na drodze ciągłego porównywania wartości napięcia wyjściowego U₂ lub jego części z wartością napięcia odniesienia (tzw. napięcie referencji).

Rys.1. Układy stabilizatorów kompensacyjnych o działaniu ciągłym a)szeregowy b)równoległy

Stabilizatory kompensacyjne mogą pracować w układzie szeregowym lub równoległym. Decyduje o tym sposób włączenia elementu regulacyjnego - szeregowo lub równolegle w stosunku do odbiornika. Układ szeregowy jest bardziej popularny ze względu na mniejsze straty. Aby uzyskać niezbędne dla działania tych układów ujemne sprzężenie zwrotne, źródło odniesienia dołączone jest w stabilizatorach szeregowych do nieodwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego, a w równoległych do wejścia odwracającego.

Rys.2 Układ stabilizatora liniowego ze sprzężeniem zwrotnym

Na rysunku 2 przedstawiony jest schemat blokowy stabilizatora liniowego ze sprzężeniem

zwrotnym (kompensacyjny). Tego typu stabilizatory są najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy.

Istotą działania stabilizatorów ze sprzężeniem zwrotnym jest to, że układ dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego śledzi zmiany napięcia wyjściowego i przeciwdziała im w taki sposób, aby napięcie wyjściowe pozostało niezmienne. Napięcie wyjściowe jest podawane poprzez układ próbkujący na wejście wzmacniacza błędu. Układem próbkującym jest układ dzielnika napięcia złożony z rezystorów R2 i R3. Napięcie na wyjściu stabilizatora wynosi :

(3)

3. Stabilizatory scalone

Układy stabilizatorów scalonych nie różnią się w zasadzie rozwiązaniem układowym od stabilizatorów dyskretnych. Zastosowanie technologii scalonej dało możliwości uzyskania znacznie lepszych parametrów, przy niskiej cenie i niewielkich wymiarach. Ponadto technologia ta umożliwia wykonanie oprócz zasadniczego stabilizatora, dodatkowych układów zabezpieczających przed przeciążeniem i zwarciem oraz zabezpieczenia termicznego. W większości stabilizatorów nie jest wymagane inne zasilanie poza napięciem stabilizowanym. Umożliwiają one stabilizacje napięć o polaryzacji zarówno dodatniej jak i ujemnej. Typowe wartości napięć wyjściowych wynoszą 2,5-35 V, przy czym można wyróżnić:

- stabilizatory o napięciu wyjściowym regulowanym (stabilizatory uniwersalne) zewnętrznym elementem regulacyjnym, w postaci np. dzielnika rezystancyjnego,

- stabilizatory o napięciu wyjściowym ustalonym ( stabilizatory lokalne) przez wytwórcę np. + 5V.

Obciążalność scalonych stabilizatorów napięcia nie jest zbyt duża, prąd wyjściowy wynosi najczęściej od kilku do kilkuset miliamperów (w droższych układach do zastosowań specjalnych do kilku amperów). Możliwe jest jednak dołączenie do stabilizatora zewnętrznych układów regulacyjnych ( tranzystorów mocy), co umożliwia zwiększenie obciążenia do kilkunastu amperów nawet kilkudziesięciu amperów.

Do najczęściej obecnie używanych stabilizatorów możemy zaliczy stabilizatory o napięciu regulowanym z serii LM 317 i LM 337, oraz stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym z serii 78xx oraz 79xx.

1. Stabilizatory ciągłe serii 78xx i 79xx

Są to najprostsze trój-końcówkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05, 08, 10, 12, 15, 24). Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy, a 79xx do ujemnych. Typowa aplikacja tych stabilizatorów przedstawiona jest na Rys. 3:

Rys. 3. Schemat prostego zasilacza o napięciu symetrycznym wykonanego przy użyciu układów z serii; 78xx i 79xx

Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłóceń i są standardem w aplikacjach stabilizatorów. Należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym, a nie topologicznym na schemacie). Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu - taka sytuacja może mieć miejsce zaraz po wyłączeniu zasilania. Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza „wsteczny” prąd z końcówki stabilizatora. Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora. Do takiej sytuacji może dojść, gdy stabilizator zasila elementy pracujące z bipolarnym napięciem zasilającym - podczas zwarcia lub uruchamiania urządzenia może dojść do zmiany polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora . Rola poszczególnych elementów obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu78xx.

Oprócz tych zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadają wbudowane układy zabezpieczające przed zwarciem na wyjściu oraz przegrzaniem. Ich podstawową wada jest zapewnienie różnicy potencjałów pomiędzy wejściem a wyjściem , wynoszącą co najmniej 3V. Jeśli nie spełnimy tego warunku układ nie będzie funkcjonował. Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 1,5A.

1. Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337

Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napięciu wyjściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy. Jest to praktycznie jedyna istotna różnica pomiędzy stałymi elementami typu 78xx i 79xx.

Typowe aplikacje tych układów przedstawia rys 4.

Rys. 4. Schemat prostego zasilacza o napięciu symetrycznym wykonanego przy użyciu układów z serii; LM 317 i LM337

Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje się za pomocą źródła referencyjnego 1,25V (pomiędzy końcówką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystorów R1 i R2. Wzór na V_OUT dla układu LM317 jest łatwy do wyprowadzenia:

(4)

gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się 240Ώ, a I_ADJ jest pomijalnie małe. Analogiczna zasada działania obowiązuje dla układu LM337.

• Stabilizacja napięcia +12V

Do stabilizacji napięcia dodatniego 12V stosujemy popularny stabilizator napięcia 78M12. Układ ten posiada wbudowane układy zabezpieczające przed zwarciem na wyjściu oraz przegrzaniem. Ich podstawową wada jest zapewnienie różnicy potencjałów pomiędzy wejściem a wyjściem, wynoszącą co najmniej 3V. Jeśli nie spełnimy tego warunku układ nie będzie funkcjonował. Maksymalna wydajność prądowa układu z literą M w nazwie wynosi 500mA. Do zasilania układu służy transformator sieciowy o wtórnym napięciu znamionowym 17ACV. Maksymalne napięcie wejściowe dla układu 7812 wynosi 35V i jest to napięcie stałe tętniące (po prostowniku dwupołówkowym). Podstawową aplikację układu przedstawia rysunek 5. Jest to podstawowa aplikacja układu bez dodatkowych zabezpieczeń i elementów informujących o stanie układu. Kondensatory C1 i C2 służą do zwierania wysokich częstotliwości i filtracji napięcia. Diody D1-D4 to popularny mostek Gretza.

Rys.5. Schemat stabilizatora z układem 78M12

Dopełnieniem układu pomiarowego jest odpowiednia opornica załączana jako obciążenie, oraz odpowiednie multimetry (woltomierze, miliamperomierze), oscyloskopy, pozwalające wykonać potrzebne pomiary . Dodatkowo przed transformatorem sieciowym należy włączyć autotransformator, który umożliwia regulacje napięcia sieciowego. Dzięki temu można symulować wahania napięcia w sieci zasilającej 230V.

• Stabilizacja napięcia -5V

Do stabilizacji napięcia ujemnego -5V stosujemy popularny stabilizator napięcia 79M05. Układ posiada takie same zabezpieczenia jak powyżej przedstawiony, jedyne różnie to ujemne napięcie wyjściowe. Podstawową aplikację układu przedstawia rysunek 6.

Rys. 6. Schemat stabilizatora z układem 79M05

• Stabilizacja napięcia regulowanego

Do stabilizacji napięcia regulowanego wykorzystano popularną kostkę LM317. Układ ten posiada wbudowane układy zabezpieczające przed zwarciem na wyjściu oraz przegrzaniem. Maksymalne napięcie wejściowe układu wynosi 40V a prąd maksymalny to 1,5A. Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje się za pomocą źródła referencyjnego 1,25V

Rys.7. Schemat stabilizatora z układem LM317

(pomiędzy końcówką Adj i Vout) i dzielnika napięcia złożonego z rezystorów R1 i R2 ( patrz wzór 4).

• Przebieg ćwiczenia

Widok stanowiska pomiarowego do badania stabilizatorów przedstawia rysunek 8.

Rysunek 8.

7.1 Badanie stabilizatora napięcia 78M12

Podłącz układ pomiarowy według rysunku 9 stosując układ 78M12.

Rysunek 9

1. Ustaw rezystancję R_obc na wartość 60Ώ. Zmieniając wartość napięcia sieciowego za pomocą autotransformatora zmierz napięcie wejściowe, wyjściowe. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 1

US[V]	240V	230V	220V	210V	200V	180V	160V	140V	120V	110V	100V
UWE[V]
UWY[V]

Tabela 1

2. Ustaw wartość napięcia z autotransformatora U_S na wartość 230V. Zmieniając wartość rezystancji R_OBC wyznacz wartość napięcia wejściowego, wyjściowego oraz wartość prądu wyjściowego. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 2.

R{[kΏ]	1	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	0,08	0,06	0,04	0,02	0,01
I [mA]
UWE[V]
UWY[V]

Tabela 2

1. Badanie stabilizatora napięcia 79M05

Podłącz układ pomiarowy według rysunku 9 stosując układ 79M05.

1. Ustaw rezystancję R_obc na wartość 25Ώ. Zmieniając wartość napięcia sieciowego za pomocą autotransformatora zmierz napięcie wejściowe, wyjściowe. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 3

US[V]	240V	230V	220V	210V	200V	180V	160V	140V	120V	110V	100V
UWE[V]
UWY[V]

Tabela 3

2. Ustaw wartość napięcia z autotransformatora U_S na wartość 230V. Zmieniając wartość rezystancji R_OBC wyznacz wartość napięcia wejściowego, wyjściowego oraz wartość prądu wyjściowego. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 4.

R{[kΏ]	1	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	0,08	0,06	0,04	0,02	0,01
I [mA]
UWE[V]
UWY[V]

Tabela 4

2. Badanie stabilizatora napięcia LM317

Podłącz układ pomiarowy według rysunku 9 stosując układ LM317.

1. Regulując potencjometrem ustaw napięcie wyjściowe na wartość 12V. Ustaw rezystancję R_obc na wartość 60Ώ. Zmieniając wartość napięcia sieciowego za pomocą autotransformatora zmierz napięcie wejściowe, wyjściowe. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 5

US[V]	240V	230V	220V	210V	200V	180V	160V	140V	120V	110V	100V
UWE[V]
UWY[V]

Tabela 5

2. Ustaw wartość napięcia z autotransformatora U_S na wartość 230V. Zmieniając wartość rezystancji R_OBC wyznacz wartość napięcia wejściowego, wyjściowego oraz wartość prądu wyjściowego. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 6.

R{[kΏ]	1	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	0,08	0,06	0,04	0,02	0,01
I [mA]
UWE[V]
UWY[V]

Tabela 6

3. Regulując potencjometrem ustaw napięcie wyjściowe na wartość 5V. Ustaw rezystancję R_obc na wartość 25Ώ. Zmieniając wartość napięcia sieciowego za pomocą autotransformatora zmierz napięcie wejściowe, wyjściowe. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 7

US[V]	240V	230V	220V	210V	200V	180V	160V	140V	120V	110V	100V
UWE[V]
UWY[V]

Tabela 7

4. Ustaw wartość napięcia z autotransformatora U_S na wartość 230V. Zmieniając wartość rezystancji R_OBC wyznacz wartość napięcia wejściowego, wyjściowego oraz wartość prądu wyjściowego. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli 8.

R{[kΏ]	1	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	0,08	0,06	0,04	0,02	0,01
I [mA]
UWE[V]
UWY[V]

Tabela 8

3. Opracowanie wyników

1. Na podstawie zdjętych pomiarów stabilizatora: 78M12, wykreśl przebiegi

U_WY = f( U_WE) oraz U_WY = f( U_S). Korzystając z wykresów wyznacz współczynnik stabilizacji S_U badanego stabilizatora w wybranym przez siebie punkcie pracy. Dla jakich wartości napięcia U_S stabilizator pracuje poprawnie?.

2. Na podstawie zdjętych pomiarów stabilizatora: 78M12, wykreśl przebiegi

U_WY = f( I_WY). Korzystając z wykresów wyznacz wartość rezystancji r_WY badanego stabilizatora w wybranym przez siebie punkcie pracy.

3. Wykonaj te same wykresy z punktów 7.4.1 i 7.4.2 oraz obliczenia dla pozostałych stabilizatorów 79M05 oraz LM 317.

4. Porównaj własności i wyznaczone parametry stabilizatorów 12V

( 78M12 oraz LM 317).

UWAGA! Wykresy należy wykonywać na papierze milimetrowym.

6

---