Politechnika Rzeszowska

Im. Ignacego Łukasiewicza

Katedra Awioniki i Sterowania

Podstawy Elektroniki - Laboratorium

Sprawozdanie nr 5

Temat: Zasilacze.

Wykonali:

Syryło Mateusz

Stefański Michał

Grupa lab. : L-10

1.Wstęp teoretyczny

Zasilacz - urządzenie służące do dopasowania dostępnego napięcia do wymagań zasilanego urządzenia. Można je podzielić ze względu na:

1. Ze względu na sposób zmiany wielkości napięcia:

• zasilacze transformatorowe, w których elementem dopasowującym jest transformator

• zasilacze beztransformatorowe dopasowujące napięcie przy użyciu różnego rodzaju układów elektronicznych.

2. Ze względu na jakość napięcia wyjściowego:

• zasilacze stabilizowane, w których napięcie utrzymywane jest na stałym poziomie, niezależnie od fluktuacji prądu

• zasilacze niestabilizowane, w których napięcie na wyjściu może ulegać zmianie, zależnie od fluktuacji prądu.

Zasilacze budowane są jako uniwersalne lub specjalizowane do konkretnych zastosowań, np. zasilacz komputera.

• Zasilacze transformatorowe - czyli zasilacze sieciowe, to układ zasilacza transformatujący napięcie na niższe, równocześnie zmieniając je na napięcie stałe.

Zasilacz sieciowy wykorzystuje napięcie sieci (230V o częstotliwości 50Hz), zbudowany jest z transformatora, który jest podstawowym elementem zasilacze transformatorowego oraz obwodu wyjściowego - stabilizującego.

Transformator składa się z uzwojeń pierwotnego i wtórnego nawiniętych na wspólny rdzeń. Uzwojenie pierwotne zasilane jest napięciem, przenosi za pomocą pola magnetycznego poprzez rdzeń, energię do uzwojenia wtórnego. Transformacja obniża napięcie oraz odseparowuje wejście od wyjścia.

Układ wejścia:

• prostuje napięcie za pomocą , w zależności od konstrukcji: półokresowo (Dioda) lub pełnookresowo (Mostek Graetza),

• wygładza pulsacje za pomocą kondensatorów,

• ostatecznie stabilizuje za pomocą stabilizatora.

• W przypadku prostowania napięcia półokresowego za pomocą diody, układ będzie wyglądał następująco:

,a napięcie wejściowe przyjmie postać

• Mostek Graetza to pełno okresowy prostownik z czterech diod prostowniczych połączonych w specyficzny układ prostujący prąd przy wykorzystaniu obu połówek napięcia. W układzie takim niezależnie od kierunku przepływu prądu na wejściu prąd na wyjściu płynie zawsze w tą samą stronę. W określonej chwili dwie z tych diod pracują przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, a dwie w kierunku zaporowym, przy zmianie kierunku prądu wejściowego te pary zamieniają się rolami, zatem strata energii jest o wiele mniejsza porównując z prostownikiem półokresowym.

Układ z wykorzystaniem mostka Graetza:

Za mostkiem Graetza wykres napięcia wygląda następująco:

• 
  Zmniejszenie tętnienia odbywa się przez wykorzystanie Kondensatora, który, po wpięciu w obwód równolegle, będzie się on ładował w szczytowych wartościach poprzedniego przebiegu, a rozładowywał gdy przebieg schodzi do zera.

Schemat układu z kondensatorem: Wykres napięcia za kondensatorem (linia ciągła):

• Stabilizator - umożliwia uzyskanie stałej wartości napięcia. Jest to układ elektroniczny, którego zadaniem jest utrzymywanie na wyjściu stałego napięcia lub prądu niezależnie od obciążenia układu i wahań napięcia zasilającego. W praktyce stabilizatory prądu buduje się w oparciu o stabilizatory napięcia.

Stabilizatory można podzielić na:

• stabilizatory liniowe (linear regulators) lub inaczej stabilizatory o regulacji ciągłej,

• stabilizatory impulsowe
       - zmniejszające wartość napięcia (step-down)
       - zwiększające wartość napięcia (step-up).

W przypadku gdy sprawność jest mniejsza niż 100% część mocy zostaje stracona w zasilaczu. Jest ona wydalana w postaci ciepła. Ponieważ zasilacze liniowe mają dużo mniejszą sprawność niż zasilacze impulsowe wydzielają one więcej ciepła i często wymagają zamontowania radiatora, co znacząco zwiększa ich rozmiar i masę. Sprawność zasilaczy impulsowych jest na tyle duża, że moc strat wydzielana w postaci ciepła jest niewielka.

Tabela przedstawiająca porównanie stabilizatora liniowego z impulsowym:

Własność	Stabilizator liniowy	Stabilizator impulsowy
Sprawność	25% ÷ 60%	75% ÷ 95%
Powierzchnia radiatorów	100%	10% ÷ 20%
Stosunek mocy do masy	20 W/kg	110 W/kg
Pojemność kondensatora wyjściowego	mała	bardzo duża
Parametry stabilizacji	bardzo dobre	dobre
Odpowiedź impulsowa (czas odpowiedzi na nagłe zmiany obciążenia)	5 ÷ 50 µs bardzo dobrze	100 ÷ 1000 µs słabo
Tłumienie szumów i tętnień	bardzo dobre 0,2 ÷ 2 mV	słabe 10 ÷ 60 mV
Zdolność utrzymania napięcia przy krótkotrwałym zaniku napięcia wejściowego (czas podtrzymania tc)	słaba 1 ÷ 10 ms	bardzo dobra 20 ÷ 50 ms (400 ms dla małych Iwy)
Tłumienie zakłóceń radioelektrycznych	bez problemu (kondensatory przeciwzakłóceniowe)	konieczne dodatkowe konstrukcje, środki (ekranowanie, filtry)

2. Cel i przebieg ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest sprawdzenie sprawności stabilizatorów liniowego i impulsowego, pomiarze mocy na wejściu i wyjściu.

Przed rozpoczęciem pomiarów został stworzony obwód prądowy podłączając do zasilacza niestabilizowanego: stabilizator liniowy, amperomierze oraz opornicę, następnie w obwód wpięto woltomierze. Sposób podłączenia przedstawia poniższy schemat:

Po włączeniu zasilania mierzymy prąd i napięcie na wejściu oraz napięcie na wyjściu. Następnie wyłączamy zasilanie zmieniamy ustawienie woltomierza służącego do pomiaru napięcia wyjściowego i odczytujemy rezystancję opornicy. Dane zapisujemy w tabeli Po przeprowadzeniu pomiarów należy wyłączyć zasilanie, zamienić stabilizator na impulsowy i powtórzyć zadanie.

Po poprawnym podłączeniu układu zostało załączone zasilanie, przy którym zostały zrobione pomiary prądu i napięcia na wyjściu i wejściu (tak jak pokazano na schemacie) oraz odczytana została rezystancja na opornicy. Po dokonaniu 10 różnych pomiarów wykonano takie same pomiary dla drugiego stabilizatora .

3. Zestawienie pomiarów w tabeli:

• Tabela przedstawiająca pomiary dla stabilizatora liniowego:

Lp.	Uwe [V]	Iwe [A]	Uwy [V]	Iwy [A]	R [Ω]
1.	18,46	0,014	5,08	0,011	407
2.	18,43	0,013	5,07	0,011	405
3.	18,42	0,015	5,07	0,012	368
4.	18,41	0,016	5,07	0,013	338,7
5.	18,40	0,018	5,07	0,015	304
6.	18,33	0,021	5,08	0,018	266,4
7.	18,34	0,023	5,08	0,021	227,9
8.	18,38	0,028	5,07	0,025	193,8
9.	18,39	0,033	5,07	0,030	161,9
10.	18,34	0,041	5,07	0,039	127,9

• Tabela przedstawiająca pomiary dla stabilizatora impulsowego:

Lp.	Uwe [V]	Iwe [A]	Uwy [V]	Iwy [A]	R [Ω]
1.	18,45	0,009	5,08	0,011	397
2.	18,45	0,009	5,07	0,011	390
3.	18,45	0,010	5,07	0,012	361
4.	18,48	0,010	5,07	0,013	333
5.	18,50	0,011	5,07	0,015	302
6.	18,51	0,012	5,08	0,017	267
7.	18,48	0,013	5,08	0,020	230
8.	18,44	0,015	5,07	0,025	189,2
9.	18,42	0,017	5,07	0,031	156,8
10.	18,43	0,021	5,07	0,043	112,9

4. Obliczenia:

• Wzory potrzebne do obliczeń mocy wejściowej, wyjściowej oraz sprawności:

- P_we=U_we×I_we - moc wejściowa

- P_wy=U_wy×I_wy - moc wyjściowa

- η=(P_wy/P_we)×100% - sprawność

• Przykładowe obliczenia dla pomiaru pierwszego ze stabilizatora liniowego:

P_we= 18,46V ×0,014A= 0,258W

P_wy= 5,8V × 0,011A= 0,0559W

η= (0,0559W / 0,258W) ×100%= 21,658 %

• Zestawienie wyników dla stabilizatora liniowego i impulsowego:

Stabilizator liniowy Stabilizator impulsowy

Lp.	Pwe [W]	Pwy [W]	η [%]
1.	0,25844	0,05588	21,62204
2.	0,23959	0,05577	23,27727
3.	0,2763	0,06084	22,01954
4.	0,29456	0,06591	22,37575
5.	0,3312	0,07605	22,96196
6.	0,38493	0,09144	23,75497
7.	0,42182	0,10668	25,29041
8.	0,51464	0,12675	24,62887
9.	0,60687	0,1521	25,06303
10.	0,75194	0,19773	26,29598

5. Wykresy:

- napięcia wejściowego od rezystancji - prądu wejściowego od rezystancji - mocy wejściowej od rezystancji

- napięcia wyjściowego od rezystancji - prądu wyjściowego od rezystancji - mocy wyjściowej od rezystancji - sprawności w funkcji rezystancji

Lp.	Pwe [W]	Pwy [W]	η [%]
1.	0,16605	0,05588	33,65251
2.	0,16605	0,05577	33,58627
3.	0,1845	0,06084	32,97561
4.	0,1848	0,06591	35,66558
5.	0,2035	0,07605	37,37101
6.	0,22212	0,08636	38,87988
7.	0,24024	0,1016	42,29104
8.	0,2766	0,12675	45,8243
9.	0,31314	0,15717	50,19161
10.	0,38703	0,21801	56,32897























13

6. Wnioski i spostrzeżenia:

1. Na podstawie zestawionych wyników potwierdza się fakt, iż stabilizatory impulsowe mają o wiele większa sprawność, aniżeli stabilizatory liniowe. Dla pierwszego uzyskaliśmy maksymalną sprawność równą 26%, natomiast dla drugiego około 56%, a zatem 2,15x więcej. Porównując nasze wyniki z założeniami teoretycznymi okazuje się, iż sprawności te są małe w obu przypadkach, bowiem stabilizator liniowy wienien mieć srawność rzędu 35-40%, a impulsowy 70-95%.

2. Na drodze przeprowadzonego ćwiczenia okazuje się, iż największą sprawność można uzyskać przy możliwie małym oporze, co potwierdza wykres.

3. Prąd wyjścia i wejścia dla stabilizatora impulsowego wzrasta, tj. prąd wyjścia jest w większy od prądu wejścia, a w przypadku stabilizatora liniowego sytuacja jest odwrotna, co świadczy o tym, iż następuje wielki spadek mocy, który przejawia się w postaci ciepła. Dlatego w przypadku stabilizatora liniowego często wykorzystywane są radiatory, które znacznie zwiększają wagę urządzenia.

4. Wraz ze zmniejszaniem oporu rośnie natężenie prądu, zaś napięcie wejściowe maleje. Napięcie wyjściowe pozostaje dla obu stabilizatorów takie samo i wynosi: 5,07÷5,08 V.

5. Zasilacze liniowe, pomimo mniejszej sprawności nadal stosuje się w urządzeniach w których liczy się niskie szumienie układu (np. w urządzeniach audio). Z kolei zasilacze impulsowe stosowane są min. w przemyśle lotniczym. Najczęściej służą jednak do zasilania układów mikroprocesorowych (np. ładowarki do komórek)

---