AGH, Wydział EAIiE KATEDRA ELEKTRONIKI
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI			Semestr: letni
Rok szkolny: 2005/2006	Rok studiów II		Grupa 5
Kierunek: Elektrotechnika			Zespół A
Temat ćwiczenia: Stabilizatory napięcia i prądu stałego o działaniu ciągłym
Data wykonania ćwiczenia: 04.05.2006; 11.05.2006 r.		Data zaliczenia sprawozdania:

1. Wstęp teoretyczny

1. układ parametryczny oparty o diodę Zenera

Rysunek 1 Schemat ideowy układu

Dobór wartości rezystora R: Wartość rezystora R należy dobrać tak, aby przy braku obciążenia (rezystor R_L = ∞), przy zadanym napięciu wejściowym U_we przez diodę D popłynął prąd mniejszy niż maksymalny dozwolony prąd diody I_dmax (dla większych prądów a tym samym mocy, które musi rozproszyć dioda - element ulegnie zniszczeniu). Jednocześnie prąd diody musi być na tyle duży, aby zaszło zjawisko Zenera.

Przy braku obciążenia:

Gdzie: I_dmax - maksymalny prąd płynący przez diodę

I_dmin - minimalna wartość prądu dla której wystąpi zjawisko Zenera (tzn. napięcie będzie słabo zależeć od prądu płynącego przez diodę)

U_ref - napięcie referencyjne diody (napięcie Zenera)

Wartość rezystora należy wybrać z przedziału (R_min, R­_max). Należy przy tym pamiętać, że przy niewielkim obciążeniu niemal cały prąd wejściowy popłynie przez obciążenie.

2. układ ze sprzężeniem zwrotnym

Rysunek 2 Schemat ideowy układu

Układ przedstawiony na powyższym rysunku składa się z:

• elementu regulacyjnego - tranzystor T

• wzmacniacza błędu - wzmacniacz operacyjny

• źródła napięcia odniesienia (źródła referencyjnego) - dioda D

• układu próbkującego - rezystory R₄ i R₅

Rezystor R₃ dobierany jest podobnie jak w przypadku układu opartego na diodzie Zenera.

Wartości rezystorów R₄ i R₃ należy dobrać tak, aby przy zadanym napięciu wyjściowym U₅ = U_ref, wtedy U_R = 0 (U_R + U₅ = U_ref).

Z dzielnika napięcia:

wynika stąd, że:
.

2. Część pomiarowa

1. układ parametryczny oparty o diodę Zenera

Rysunek 3 Schemat ideowy modułu ZNO-01

Rysunek 4Schemat montażowy modułu ZNO-01

Do montażu układu wykorzystano diodę 1N5235B.

maksymalne napięcie wejściowe U_we = 12V

napięcie wyjściowe (napięcie referencyjne diody) U_wy = 6,8V

maksymalny prąd płynący przez diodę I_dmax = 15mA

minimalna wartość prądu przy której wystąpi zjawisko Zenera I_min = 3μA

Dla założonych danych (obliczenia przy braku obciążenia):

Wybrano rezystor R = 1kΩ.

Między zaciski Z11 i Z12 wpięto diodę 1N5235B, a między zaciski Z1, Z2 rezystor R. Następnie ustawiono ograniczenie prądowe zewnętrznego zasilacza na 100mA i wykonano połączenia zgodnie z poniższym rysunkiem.

Pomiar charakterystyki wyjściowej U_wy = f(U_we) przy braku obciążenia:

Uwe [V]	Uwy [V]
7,86	6,64
6,79	6,60
7,04	6,62
7,18	6,62
7,60	6,66
8,30	6,64
8,71	6,65
10,00	6,67
10,98	6,67
12,30	6,68

Pomiar charakterystyki wyjściowej U_wy = f(U_we) przy obciążeniu R_L = 1360Ω:

Uwe [V]	Uwy [V]
5,42	3,86
6,50	4,63
7,52	5,35
8,67	6,15
8,97	6,32
9,60	6,61
10,05	6,63
10,47	6,63
11,68	6,65
11,90	6,65
12,14	6,66

2. układ ze sprzężeniem zwrotnym

Rysunek 5 Schemat ideowy modułu LDO-01 (stabilizator LDO i kluczowane obciążenie)

Rysunek 6 Schemat montażowy modułu LDO-01

Do montażu wykorzystano diodę 1N5235B

maksymalne napięcie wejściowe U_we = 15

napięcie wyjściowe U_wy = 10

maksymalny prąd płynący przez diodę I_dmax = 8mA

minimalna wartość prądu przy której wystąpi zjawisko Zenera I_min = 3μA

napięcie referencyjne diody U_ref = 6,8V

Dla powyższych danych:

Dobrano R₅ = 82kΩ, R₄ = 39kΩ.

Wybrano rezystor R₃ = 1kΩ.

Między zaciski Z5 i Z6 zamontowano rezystor R4 = 39kΩ, Z11 i Z12 - R5 = 82kΩ, Z1 i Z2 - rezystor R3 = 1kΩ, a między zaciski Z3 i Z4 - diodę 1N5235B. Następnie ustawiono ograniczenie prądowe zewnętrznego zasilacza na 100mA i wykonano połączenie zgodnie z poniższym rysunkiem:

Rysunek 7 Schemat połączeń do pomiaru charakterystyki U_wy=f(U_we)

Pomimo poprawnie dobranych elementów układ nie działał poprawnie. Przyczyną był prawdopodobnie brak styku między rezystorem a płytką montażową.

3. Część symulacyjna

Układ oparty o diodę Zenera

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera I=f(U):

Schemat pomiarowy:

Napięcie Zenera: U_z = -5,04V

Napięcie diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia: U_f = 791,7 mV

Rezystancja dynamiczna diody
w otoczeniu punktu I = -50mA: r_Z=1,66Ω

Charakterystyka wyjściowa:

Schemat pomiarowy:

w otoczeniu punktu:

a) I_wy = 10mA

b) I_wy = 30mA

Stabilizacja występuje dla I_wy z przedziału od 0mA do około 20mA. Dzieję się tak, dlatego, że przy dużych prądach obciążeniach (I_wy > 20mA), przez diodę płynie zbyt mały prąd, aby wywołać zjawisko Zenera. Dioda pracuję wówczas w obszarze A (poniższy rysunek):

W przypadku b, wartość rezystancji wyjściowej R_wy jest równa wartości rezystora R₁, ponieważ przez diodę płynie tak mały prąd, że widziana jest ona jako przerwa w obwodzie, w wyniku czego, układ mierzy rezystancję R₁.

Charakterystyka przejściowa:

Schemat pomiarowy:

- bez obciążenia, klucz J₁ otwarty:

- z obciążeniem, klucz J₁ zamknięty:

Obciążenie ma znaczący wpływ na kształt charakterystyki przejściowej. Zakres napięć wejściowych dla układu bez obciążenia jest większy i wynosi od 5,787V do 10V, natomiast z obciążeniem od 6,744V do 10V. Dzieję się tak dlatego, że w układzie obciążonym część prądu wejściowego „płynie” przez obciążenie i aby dioda znalazła się w obszarze stabilizacji, prąd wejściowy musi być większy, a tym samym większe musi być napięcie wejściowe.

Pomiar składowej zmiennej napięcia wyjściowego, przy zasilaniu wejścia napięciem stałym ze składową zmienną:

Schemat pomiarowy:

gdzie:

U_we - wartość skuteczna składowej zmiennej napięcia wejściowego.

U_wy - wartość skuteczna składowej zmiennej napięcia wyjściowego.

- bez obciążenia:

- z obciążeniem:

Wartości współczynników S_U są do siebie zbliżone…

W przypadku pomiaru składowych zmiennych napięć wyjściowego i wejściowego otrzymaliśmy wartości większe. Przyczyną jest subiektywny wybór przedziałów ΔU_we i ΔU_wy w pierwszej z zastosowanych metod wyznaczania S_U.

Stabilizator LDO

Charakterystyka wyjściowa:

Schemat pomiarowy:

Charakterystyka przejściowa:

Schemat pomiarowy:

- z obciążeniem:

- bez obciążenia:

Charakterystyka wyjściowa stabilizatora LDO przypomina kształtem charakterystykę układu z diodą Zenera - przy dużym prądzie obciążenia napięcie przestaje być stabilizowane. W zakresie stabilizacji napięcie wyjściowe utrzymuje się na stałym poziomie w przeciwieństwie do pierwszego z rozpatrywanych układów, w którym widoczne jest nachylenie charakterystyki.

Obserwując charakterystykę przejściową układu LDO, można dojść do wniosku, że obciążenie w niewielki stopniu wpływa na jej kształt.

---