1. Wstęp teoretyczny

W życiu codziennym korzystamy z całej gamy różnorodnych urządzeń zasilanych prądem elektrycznym, które do poprawnego działania wymagają konkretnych wartości napięcia. Źródłem zasilania z którego korzystamy najczęściej jest domowa sieć elektroenergetyczna, w której mamy do czynienia z napięciem sinusoidalnie zmiennym o wartości skutecznej 230V i częstotliwości 50Hz.

Aby dostosować te wartości do wymaganych przez urządzenia stosuje się układy elektroniczne zwane zasilaczami stabilizowanymi.

W skład zasilacza stabilizowanego wchodzi 5 bloków funkcjonalnych o odpowiednio dobranych parametrach, tak aby na wyjściu otrzymać żądane wartości napięcia. Do ww. bloków funkcjonalnych zaliczamy:

a) układ zabezpieczający, w którym znajduję się bezpiecznik, którego zadaniem jest odcięcie zasilania w przypadku poboru prądu o zbyt wysokim natężeniu. Wartość bezpiecznika dobieramy odpowiednio do zakładanych wartości obciążenia zasilacza. Dodatkowo stosowane są układy przeciwprzepięciowe eliminujące skoki napięcia sieciowego a także filtry przeciwzakłóceniowe.

b) transformator to element elektromagnetyczny przenoszący energię z obwodu wejściowego do obwodu wyjściowego. Składa się z dwóch uzwojeń nawiniętych na wspólny rdzeń. Stosunek ilości uzwojenia wyjściowego do pierwotnego to tzw. przekładnia transformatora.

Rys.1 schemat działania transformatora i zależność poszczególnych wielkości od przekładni transformatora

c) prostownik to urządzenie służące do zmiany prądu przemiennego w prąd jednokierunkowy. Podstawą jego działania jest element przewodzący prąd tylko w jednym kierunku, tzw. dioda półprzewodnikowa. Istnieją prostowniki jednopołówkowe oraz dwupołówkowe.

Prostowniki jednopołówkowe charakteryzują się niską sprawnością i dużym współczynnikiem tętnień napięcia wyjściowego. Poniższy schemat obrazuje działanie prostownika jednopołówkowego

Układ najczęściej stosowany w prostownikach dwupołówkowych opiera się na tzw. mostku Graetza, składającym się z czterech diód półprzewodnikowych, połączonych tak, że w każdej połowie okresu dwie z nich znajdują się w stanie przewodzenia. Poniżej przedstawiono przykładowe rozwiązanie umożliwiające dwupołówkowe prostowanie prądu przemiennego.

d) Filtr wygładzający po „przejściu” przez prostownik mamy do czynienia z prądem jednokierunkowym, lecz napięcie nadal jest zmienne w czasie. Do prawidłowego działania urządzeń wymagane jest stałe napięcie, dlatego kolejnym etapem działania zasilacza stabilizowanego jest „wygładzenie” przebiegu napięcia. Rolę filtra pełni kondensator o odpowiednio dobranej pojemności, podłączony równolegle na wyjściu z prostownika. Kondensator jest ładowany podczas narastającego zbocza przebiegu napięcia a następnie rozładowywany w pozostałej części okresu. Dzięki temu amplituda napięć zostaje znacząco zredukowana.

Działanie kondensatora oraz sposób jego włączenia w układ zasilacza prezentują poniższe grafiki.

Aby dobrać odpowiednią pojemność kondensatora należy skorzystać ze wzoru:

$$C = \frac{I}{\left( U - U_{\min} \right) \bullet f_{tet}}\ $$

I−prąd obciążenia

U- szczytowa wartość napięcia za prostownikiem

U_min-minimalna dopuszczalna wartość napięcia na wejściu stabilizatora

f_tet- częstotliwość tętnień dla dwupołówkowego prostowania jest to 100Hz

e) stabilizator napięcia

Po przejściu przez filtr wygładzający napięcie jest wygładzone lecz nie jest stabilne. Jego wartość zależy od wahań napięcia w sieci czy obciążenia. Z tego powodu dla uzyskania stałego napięcia stosowane są dodatkowo stabilizatory. Istnieje wiele konstrukcji, które spełniają funkcję stabilizatora.

Przykładowe trzy najczęściej stosowane układy to:

I) Stabilizator z diodą Zenera- rolę elementu stabilizującego napięcie pełni w tym układzie dioda Zenera, wykorzystująca zjawisko przebicia lawinowego. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym napięcie na diodzie pozostaje w szerokim zakresie prądów na stałym poziomie (tzw. napięcie Zenera). Zakres pracy diody ograniczony jest „od dołu” minimalnym natężeniem potrzebnym aby doszło do zjawisko przebicia, z drugiej strony zaś maksymalnym natężeniem wynikającym z dopuszczalnej mocy wydzielanej na diodzie.

II) Stabilizator z diodą Zenera i wtórnikiem emiterowym- w tym układzie dioda Zenera jest oddzielona od obciążenia za pomocą wtórnika emiterowego. Prąd obciążenia nie ma wpływu na prąd płynący przez diodę, co pozwala na poprawienie stabilizacji oraz stosowanie diod o dużo mniejszej mocy.

III) Stabilizator z układem LM317L

Układ LM317L to trzykońcówkowy scalony stabilizator nastawny. Posiada on trzy wyprowadzenia:

-wyprowadzenie WE łączy się ze źródłem napięcia zasilania

-wyprowadzenie WY do którego podłączany jest odbiornik

-wyprowadzenie REG do którego podłączane są rezystory regulacji napięcia

Jeżeli jako rezystor zastosujemy potencjometr uzyskamy możliwość płynnej regulacji napięcia wyjściowego w szerokim zakresie

2. Zebranie wyników pomiarów oraz wykresy

a) charakterystyka prądu przed transformatorem (zasilanie sieciowe)

$$U_{\text{sk}} = \frac{U_{\max}}{2}$$

Częstotliwość [Hz]	Napięcie skuteczne [V]	Napięcie max [V]
50	230	325,3

b) charakterystyka prądu za transformatorem

Częstotliwość [Hz]	Napięcie skuteczne [V]	Napięcie max [V]
50	11,3	16

Transformator nie wpływa na częstotliwość.

Obliczenie przekładni transformatora $\frac{Z_{2}}{Z_{1}} = \frac{U_{2}}{U_{1}} = 0,0492$

c) kolejnym krokiem było dołączenie do układu pomiarowego prostownika jednopołówkowego a następnie odczytanie na oscyloskopie mierzonych wartości:

Częstotliwość [Hz]	Napięcie skuteczne [V]	Napięcie max [V]
50	10,18	14,4

Warto zauważyć nieznaczny spadek napięcia po przejściu przez prostownik jednopołówkowy (diodę), który jak każdy rzeczywisty element stawia opór (który zgodnie z prawem Kirchoffa powoduje spadek napięcia). Ponadto opór stawiają przewody.

d) następnie zastosowaliśmy prostownik dwupołówkowy

Częstotliwość [Hz]	Napięcie skuteczne [V]	Napięcie max [V]
100	10,18	13,8

Od razu dostrzegamy podwojenie częstotliwości, które łatwo zauważyć na wykresach napięcia dla odpowiednio układu z prostownikiem jedno i dwu połówkowym (grafiki zawarte we wstępie teoretycznym). Ponadto obserwujemy dalszy spadek napięcia spowodowany większym oporem układu z prostownikiem dwupołówkowym.

e) kolejnym etapem było dołączenie dwóch kondensatorów o różnej pojemności

Pojemność kondensatora	U Napięcie peak to peak [V]	Umax [V]	Uskut [V]	Częstotliwość [Hz]
100 μF	3,52	13,2	9,33	100
1 mF	0,64	12,3	8,70	100

Zauważamy, że pierwszy kondensator o pojemności 100 μF jest zdecydowanie zbyt mały aby w satysfakcjonującym stopniu wygładzić napięcie, ponieważ U wynosi aż 3,52 V.

Drugi kondensator w znacznie większym stopniu wygładza przebieg napięcia, redukując U do wartości 0,64 V. Obserwujemy jednak dalszy spadek napięcia skutecznego w odniesieniu do tego co mieliśmy za samym transformatorem.

f) charakterystyka prądowo napięciowa dla układu z transformatorem, prostownikiem dwupołówkowym oraz dołączonym kondensatorem o pojemności 1 mF.

Na osi Y prezentowane jest napięcie peak to peak, tj. różnica między maksymalnym a minimalnym napięciem za kondensatorem.

Zauważamy w przybliżeniu liniową zależność napięcia peak to peak od natężenia prądu. Wraz ze wzrostem obciążenia (a zatem wzrostem natężenia prądu I) rośnie U. Ta obserwacja uświadamia nam, że zastosowanie samego kondensatora nie wystarcza do satysfakcjonującego ustabilizowania napięcia. Zwiększony pobór mocy przez urządzenie powodowałby spadek napięcia i uniemożliwił jego dalsze prawidłowe działanie.

Możemy teraz zweryfikować wzór na wartość tętnień $U = \frac{I}{f_{tet} \bullet C}$

Np. dla natężenia 129 mA, przy częstotliwości tętnień 100Hz oraz pojemności kondensatora 1 mF

$U = \frac{I}{f_{tet} \bullet C} = \frac{0,129}{100 \bullet 0,001} = 1,29\ V$

podczas gdy odczytana przez nas wartość tętnień wynosiła 1,28 V

g) charakterystyki prądowo napięciowe dla poszczególnych układów z dołączonym stabilizatorem napięcia przy zmiennym obciążeniu.

Doświadczenie polegało na wpięciu woltomierza oraz amperomierza za jednym z trzech typów stabilizatorów. Dokonywaliśmy regulacji obciążenia poprzez operowanie potencjometrem. Otrzymane wyniki umieściliśmy na trzech wykresach dla trzech rodzajów stabilizatora.

a) stabilizator A

b) stabilizator B

c) stabilizator C

Wnioski dla wszystkich stabilizatorów są podobne. Wraz ze wzrostem natężenia prądu (a zatem obciążenia) maleje napięcie. Są to jednak spadki o znacznie mniejszej skali niż występowały bez obecności stabilizatora. Możemy zatem powiedzieć, że urządzenie spełnia swoją funkcję i łagodzi spadki napięcia występujące wraz ze wzrostem obciążenia. Możemy też zauważyć, że najskuteczniej spadki napięcia łagodził stabilizator C, przy którym wzrost natężenia o blisko 50mA wywołał spadek napięcia o jedyne 0,09 V. Najgorzej sprawdził się stabilizator A, dla którego wzrost natężenia o 24mA wywołał spadek napięcia o 0,22V.

3. Podsumowanie i dodatkowe wnioski

W wyniku przeprowadzonych doświadczeń możemy stwierdzić jak ważną rolę pełnią wszystkie z elementów zasilacza stabilizowanego. Poprawne działanie urządzeń nie byłoby możliwe bez tego układu.

Przekonaliśmy się też jak ważną rolę pełni pojemność kondensatora pełniącego funkcję filtra wygładzającego. W naszym układzie mieliśmy do wyboru dwie pojemności kondensatora:

100 μF oraz kondensator o dziesięciokrotnie większej pojemności, tj. 1 mF.

Łatwo było zauważyć, że ten mniejszy zmniejszał co prawda skoki napięcia, lecz do niezadowalającego nas poziomu. Zastosowanie kondensatora o pojemności 1 mF umożliwiło znaczny spadek tzw. napięcia tętnień.

Badanie napięcia tętnień przy zwiększanym obciążeniu uświadomiło nam, że sam kondensator nie wystarcza aby ustabilizować napięcie. Zaobserwowaliśmy, że przy wzroście natężenia o 100mA napięcie tętnień wzrosło z 0,64V do wartości 1,16V.

Elementem zapobiegającym tak wysokim wzrostom napięcia tętnień są stabilizatory.

W obwodzie mieliśmy do dyspozycji 3 rodzaje stabilizatorów, każdy z nich spełnił swoje zadanie i zredukował napięcia tętnień przy zwiększonym obciążeniu.

Zauważyliśmy też, że stabilizatory różniły się od siebie skutecznością łagodzenia skoków napięcia, co pozwala nam wnioskować, że różniły się one budową.

Wszelkie niedokładności w pomiarach mogą wynikać z niedoskonałości stosowanych przyrządów a także ze stosunkowo niewielkiej ilości pomiarów.