KATEDRA ELEKTRONIKI

LABORATORIUM Z PODSTAW ELEKTRONIKI

Zespół: Rafał Kaszyca Rafał Kobak Seweryn Kwieciński

Grupa: 2 Rok: 2

1. Cel ćwiczenia

Tematem ćwiczenia są zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach które potrzebują stabilnego zasilania. Ćwiczenie składa się z dwóch części: pomiarowej i symulacyjnej. Naszym zadaniem było dokonanie pomiaru wybranych parametrów i charakterystyk kilku układów funkcjonalnych wykorzystujących stabilizatory i porównanie ich z wynikami symulacji. Celem ćwiczenia jest również zapoznanie z różnorodnymi zastosowaniami stabilizatorów. Symulacje przeprowadzano w programie Multisim.

2. Wstęp teoretyczny

Stabilizatory napięcia i prądu stałego zapewniają odpowiednie warunki do zasilania urządzeń i układów elektronicznych. W obu przypadkach wartość napięcia wyjściowego lub prądu wyjściowego nie jest dokładnie stała lecz zależy od wielu czynników, jak np. obciążenia, sieciowego napięcia zasilającego układ prostowniczy, temperatury. Zadaniem stabilizatora jest zmniejszenie do wymaganej wartości zmian U_WY lub I_WY wywołanych wszelkiego rodzaju czynnikami destabilizującymi

Stabilizatorem o pracy ciągłej jest układ analogowy, dostarczający napięcie albo prąd o stałej wartości, niezależnie od zmian napięcia wejściowego, wielkości obciążenia i temperatury otoczenia. Stabilizatory czerpiąc energię z układów prostowniczych bądź też baterii, zapewniają odpowiednie warunki zasilania urządzeń i układów elektronicznych.

Najważniejsze parametry stabilizatora napięcia to:

– napięcie wyjściowe i jego tolerancja;

– maksymalny prąd wyjściowy i prąd zwarcia;

– minimalny spadek napięcia, który jest niezbędny do stabilizacji napięcia wyjściowego

(w katalogach nosi on nazwę różnicy napięć na wejściu i wyjściu (dropout voltage), w skrócie nazywamy napięciem różnicowym wejście-wyjście);

– współczynnik stabilizacji napięciowej (line regulation) ;

– współczynnik stabilizacji obciążeniowej (load rejection).

Stabilizator 1

Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera, pokazany na rysunku obok. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametryczny mi.
Z charakterystyk widać że zmiany napięcia wejściowego ΔU_we pociągają za sobą zmiany prądu diody ΔI_D, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego ΔU_wy i można przyjąć, że pozostaje ono stałe i równe napięciu zenera U_Z.
Aby uzyskać dobrą stabilizację, a więc mały współczynnik S_u, to rezystancja R powinna być znacznie większa w stosunku do R_D. Dla większości diod Zenera wartość rezystancji R_D wynosi od kilku do kilkudziesięciu W i do tego jeszcze zależy od prądu płynącego przez tą diodę czyli I_D. Zwiększając rezystancję R poprawi się współczynnik stabilizacji ale jednocześnie zmniejszeniu ulegnie wartość prądu wyjściowego, co mocno ogranicza praktyczne zastosowanie układu jako stabilizatora. Układy takie mają więc zastosowanie jako źródła napięcia referencyjnego.

 Stabilizator 2

Lepszym rozwiązaniem układu poprzedniego jest jego modyfikacja przedstawiona na rysunku obok. Jest to układ wzbogacony o tranzystor T pracujący w jako wtórnik emiterowy. Na wyjściu tego układu pojawia się napięcie równe U_wy=U_Z- U_BE. Korzyścią z zastosowania tranzystora jest to, że można zwiększyć rezystor R nie powodując zmniejszenia prądu wyjściowego, ponieważ nawet przy bardzo małym prądzie bazy I_B, który jest dla diody D prądem obciążenia, prąd wyjściowy I_wy jest duży i można go przedstawić wzorem I_wy=I_B· (b + 1) Układ ten jak widać jest trochę lepszym układem niż ten poprzedni, lecz jego zastosowanie ogranicza się również do prostych i nie wymagających układów.

Stabilizator 3

Na rysunku obok przedstawiony jest schemat blokowy stabilizatora liniowego ze sprzężeniem zwrotnym. Tego typu stabilizatory są chyba najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzężeniem zwrotnym, zarówno w postaci scalonej jak i budowane z elementów dyskretnych muszą składać się z następujących bloków:

- elementu regulacyjnego

- wzmacniacza błędu

- źródła napięcia odniesienia (lub inaczej - źródła referencyjnego)

Oprócz wymienionych bloków stabilizatory wyposażane są również w różnego rodzaju układy zabezpieczające. 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.

3. Część symulacyjna

Stabilizator 1

Naszym zadaniem było przeprowadzenie symulacji dla diody Zenera typu C5V1 czyli o napięciu nominalnym Zenera 5,1V oraz nominalnym prądzie 20±5 mA i maksymalnej dopuszczalnej wydzielanej mocy 200mW.

1. Wyznaczanie charakterystyki U_wyj=f(I_obc)

Pierwsza symulacja dotyczy charakterystyki U_wyj=f(I_obc) stabilizatora dla zadanego napięcia wejściowego U_we.

Opornik R1 został dobrany tak aby przy maksymalnym obciążeniu prąd diody Zenera nie przekraczał maksimum. R1 został dobrany doświadczalnie i jego wartość wyniosła 260Ω co daje prąd na diodzie Zenera ok. 21mA czyli w granicach prądu nominalnego

Pomiary zostały wykonane w następującym układzie pomiarowym:

Napięcie na wyjściu [V]	Prąd na wyjściu [mA]
5,149	5,15
5,149	6,435
5,147	7,353
5,147	8,577
5,145	10,28
5,142	12,85
5,142	25,62
4,28	40,35
2,69	52,17
1,46	58,11

Z charakterystyki tej jasno wynika że dioda Zenera posiada swoje właściwości stabilizacyjne do pewnego momentu obciążenia następnie drastycznie maleje jej zdolność stabilizacji.

1. Wyznaczanie dynamicznej rezystancji wyjściowej r_wy

Do wyznaczenia rezystancji dynamicznej posłużę się następującym schematem:

Jedno z wejść oscyloskopu mierzy zmiany napięcia na obciążeniu a inne mierzy prąd w sposób pośredni mierząc spadek napięcia na oporniku. Otrzymany wykres poniżej:

Wiedząc że $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}}$

Dla 12V:

U_wy = 28, 86 mV

I_obc = 10, 76 mA zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 2,68\ \Omega$

Dla 9V:

U_wy = 659, 03 mV

I_obc = 7, 48 mA zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 88,11\ \Omega$

1. Wyznaczanie współczynnika stabilizacji napięciowej S_u

Pomiary zostały wykonane w następującym układzie pomiarowym:

Dla I_­obc=5mA:

Dla I_­obc=25mA:

­

Współczynnik wzmocnienia powinien być stały dla określonego stabilizatora. Dla naszego przypadku przy małym obciążeniu wyniósł 3,5 natomiast przy dużym 2,9. Ta niewielka zmiana może byś spowodowana zasileniem układu zbyt małym napięcie, lub po prostu wydajność prądowa stabilizatora jest mniejsza.

Stabilizator 2

1. Wyznaczanie charakterystyki U_wyj=f(I_obc)

Pomiary zostały wykonane w następującym układzie pomiarowym:

Napięcie na wejściu [V]	Napięcie na wyjściu [V]	Prąd na wyjściu [mA]
12	4,45	8,88
10	4,44	8,86
8	4,42	8,84
6	4,4	8,8
5	4,3	8,6
4,5	3,82	7,64
4	3,33	6,65
3,5	2,83	5,66
3	2,34	4,68
2	1,36	2,72

1. Wyznaczanie dynamicznej rezystancji wyjściowej r_wy

Pomiary zostały wykonane w następującym układzie pomiarowym:

Wiedząc że $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}}$

Dla 12V:

U_wy = 29, 92 mV

I_obc = 9, 38 mA zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 3,18\ \Omega$

Dla 9V:

U_wy = 30, 05 mV

I_obc = 8, 85 mA zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 3,39\ \Omega$

1. Wyznaczanie współczynnika stabilizacji napięciowej S_u

Pomiary zostały wykonane w następującym układzie pomiarowym:

Współczynnik wzmocnienia powinien być stały dla określonego stabilizatora. Dla naszego przypadku przy małym obciążeniu wyniósł 43 natomiast przy dużym 9,741. Wynika z tego że obciążenie rzędu 28mA jest za duże dla tego stabilizatora. Aby zwiększyć jakość stabilizacji należy zmniejszyć opornik R1 aby zwiększyć prąd bazy (zwiększyć wzmocnienie).

Stabilizator 3

1. Wyznaczanie charakterystyki U_wyj=f(I_obc)

Pomiary zostały wykonane w następującym układzie pomiarowym:

Napięcie na wejściu [V]	Napięcie na wyjściu [V]	Prąd na wyjściu [mA]
12	5,77	11,54
10	5,75	11,51
8	5,71	11,44
6	5,3	10,6
5	4,31	8,62
4,5	3,82	7,64
4	3,33	6,65
3,5	2,83	5,66
3	2,34	4,68
2	1,36	2,72

4. Część pomiarowa

Układ pomiarowy składa się z wkładki SA0011, która jest regulowanym źródłem napięcia

stałego, wkładki DA061A, która zawiera układy trzech stabilizatorów 1, 2, 3, oraz wkładki

SA1111, która jest regulowanym źródłem prądowym. Wkładka SA0011 umożliwia ustawienie dwóch poziomów napięcia wejściowego Uwe. Wkładka DA061A zawiera trzy przyciski umożliwiające przełączanie trzech różnych typów stabilizatorów: stabilizatora 1 z diodą Zenera, stabilizatora 2 ze wzmacniaczem prądu oraz stabilizatora 3 z zewnętrzną pętlą sprzężenia zwrotnego. Wszystkie trzy stabilizatory pracują poprawnie w zakresie napięć wejściowych od 9V do 12V oraz w zakresie prądu obciążenia od 0 mA do 25 mA.

Schemat wkładki DA061A poniżej:

Zadanie 1

Sprawdzić czy w założonych zakresach zmian napięcia wejściowego (9-12V) i prądu obciążenia (0-25 mA) stabilizatory pracują poprawnie:

Uwe	Iobc[mA]	Uwy1 [V]	Uwy2 [V]	Uwy3 [V]
9V	0	5,678	5,663	5,108
	25	5,492	5,49	5,158
12V	0	5,76	5,789	5,367
	25	5,658	5,552	5,353

Wnioski: Przy braku obciążenia oraz przy maksymalnym obciążeniu każdy ze stabilizatorów utrzymuje napięcie w zadanych granicach. Wszystkie układy pracują poprawnie

Zadanie 2

Zmierzyć charakterystyki prądowo-napięciowe stabilizatorów (napięcie wyjściowe w funkcji

prądu obciążenia). Narysować ch-ki stabilizatorów w jednym układzie współrzędnych.

	Uwe=9V	Uwe=12V
Iobc[mA]	Uwy1 [V]	Uwy2 [V]
4mA	5,659	5,546
25mA	5,488	5,493

Ze względu na uszkodzenie źródła prądowego mogliśmy wykonać tylko pomiary dla 2 wartości prądu. Jak widać stabilizator 1 zachowuje się najgorzej ze wszystkich jeśli chodzi o stabilizacje ponieważ jego krzywa jest najbardziej nachylona. Stabilizator 2 jest o wiele bardziej stabilny i ma lepszy współczynnik stabilizacji. Stabilizator 3 bardzo dobrze stabilizuje napięcie. Jego ch-ka jest niemal linią prostą (zmiany obciążenia w bardzo niewielkim stopniu wpływają na zmiany napięcia). Wyniki potwierdzają właściwości każdego z układów.

Zadanie 3

Na podstawie napięć i prądów obciążenia małego i dużego (np. 4 mA i 25 mA) obliczyć dynamiczne rezystancje wyjściowe dla każdego ze stabilizatorów

Wiedząc że $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}}$ oraz I_obc = 21 mA

Dla 9V:

Stabilizator 1: U_wy = 5, 659 − 5, 488 = 0, 171 V zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 8,14\ \Omega$

Stabilizator 1: U_wy = 5, 546 − 5, 493 = 0, 053 V zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 2,52\ \Omega$

Stabilizator 1: U_wy = 5, 168 − 5, 155 = 0, 013 V zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 0,62\ \Omega$

Dla 12V:

Stabilizator 1: U_wy = 5, 74 − 5, 651 = 0, 116 V zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 4,24\ \Omega$

Stabilizator 1: U_wy = 5, 624 − 5, 605 = 0, 019 V zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 0,9\ \Omega$

Stabilizator 1: U_wy = 5, 357 − 5, 351 = 0, 171 V zatem $r_{\text{wy}} = \frac{U_{\text{wy}}}{I_{\text{obc}}} = 0,28\ \Omega$

5. Wnioski

Stabilizator napięcia jest to układ, który ma za zadanie utrzymywać na wyjściu stałe napięcie nie zależnie od zmian wielkości wejściowej jak i obciążenia, jednakże spełnić to mogą jedynie stabilizatory idealne. W rzeczywistości napięcie na wyjściu stabilizatora waha się w pewnych granicach tolerancji.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów możemy stwierdzić że proste układy stabilizatorów cechują się umiarkowanymi parametrami dotyczy to szczególnie stabilizatora parametrycznego z diodą zenera którego współczynnik stabilizacji silnie rośnie wraz ze wzrostem prądu obciążenia. Układ ze dodatkowym tranzystorem w roli wzmacniacza prądu pozwala osiągnięcie większych prądów obciążenia, mimo to jego współczynnik stabilizacji oraz rezystancja wejściowa nadal nie są zadowalające. Układ ze sprzężeniem zwrotnym posiada najlepsze parametry stabilizacji.