AGH, Wydział EAIiE KATEDRA ELEKTRONIKI			Cezary Klimasz
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI				Semestr: letni
Rok szkolny: 2006/2007	Rok studiów II			Grupa 3, wtorek 9^30
Kierunek: Elektrotechnika				Zespół 1
Temat ćwiczenia: STABILIZATORY NAPIĘCIA
Data wykonania ćwiczenia:		Data zaliczenia sprawozdania:

1. Wprowadzenie

Nieodłącznym układem współpracującym z urządzeniami elektronicznymi jest zasilacz napięcia stałego. Jeśli moc do zasilania czerpana jest z sieci prądu zmiennego, zasilacz jest przetwornikiem napięcia zmiennego na stałe. Przy zasilaniu np. bateryjnym zachodzi często potrzeba uzyskania napięcia stałego większego niż napięcie baterii. W zasilaczu musi wówczas występować układ zwany przetwornicą napięcia stałego.

Napięcie otrzymane w jeden z powyższych sposobów podlega wahaniom pod wpływem zmian napięcia sieci, obciążenia, temperatury lub czasu. W celu wyeliminowania tych zmian stosuje się układy stabilizatorów napięcia stałego. Mają one za zadanie dostarczyć napięcia stałego o niezmienionej wartości przy zmieniającym się napięciu stałym na wejściu i przy zmiennym obciążeniu.

2. Podstawowe wiadomości o stabilizatorach

Stabilizator - 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. Działaniu stabilizatorów podlegają wartości średnie napięć czy prądów, ale nie muszą się do nich ograniczać, lecz mogą reagować na składowe zmienne spełniając funkcję filtrów.

Podstawowe parametry charakterystyczne stabilizatorów:

- współczynnik stabilizacji:
,

- rezystancja wyjściowa:
,

- zakres poprawnej pracy: U_INmin, U_INmax, I_OUTmin, I_OUTmax

Klasyfikacja stabilizatorów

- Klasyfikując układy stabilizatorów pod względem zasady działania, można je podzielić na: parametryczne i kompensacyjne.

W stabilizatorach parametrycznych wykorzystuje się nieliniowe charakterystyki prądowo-napięciowe elementów elektronicznych albo dwójników, wykazujących w pewnych zakresach zbliżone do zera wartości różniczkowych lub konduktancji.

Stabilizatory kompensacyjne są układami automatycznej regulacji, w których wykorzystuje się właściwości ujemnego sprzężenia zwrotnego.

- Ze względu na sposób umieszczenia układu realizującego stabilizację w obydwu wymienionych grupach stabilizatorów wyróżnia się stabilizatory: szeregowe i równoległe.

3. Parametryczny stabilizator napięcia z diodą Zenera

Podstawowy układ z diodą stabilizacyjną (Zenera) jest najprostszym stabilizatorem, wykorzystującym zakres przebicia lawinowego lub Zenera. Układ ten może być stosowany w prostych zasilaczach o nie regulowanym napięciu wyjściowym lub jako napięcie odniesienia w bardziej rozbudowanych stabilizatorach ze sprzężeniem zwrotnym lub w stabilizatorach impulsowych.

Napięcie wyjściowe U_OUT jest równocześnie napięciem na diodzie Zenera pracującej w zakresie przebicia i jest ono w przybliżeniu stałe. Prawidłowa praca stabilizatora zależy krytycznie od wartości rezystora R_S. Spadek napięcia na tym rezystorze powinien pochłaniać całą zmianę napięcia wejściowego.

Korzystając z wielkosygnałowego modelu układu stabilizatora można zapisać:
.

Współczynnik stabilizacji napięcia wynosi:

Jeśli obciążenie stabilizatora jest obciążeniem zmiennym wtedy postać współczynnika stabilizacji przedstawia się następująco:
.

Różniczkowa rezystancja wyjściowa wynosi:
. Dobór diody o możliwie małej rezystancji różniczkowej poprawia jakość stabilizacji.

schemat układu stabilizatora

wraz z jego wielkosygnałowym

modelem

Jedyną zaletą stabilizatorów z diodą Zenera jest ich prostota. Do wad zaliczyć należy:

- brak możliwości regulacji napięcia wyjściowego,

- duża moc tracona na rezystorze R_S,

- duża zmienność położenia punktu pracy przy zmianie prądu obciążenia.

Podsumowując- stabilizatory parametryczne stosowane są zazwyczaj tylko przy małych mocach wyjściowych i niezbyt wygórowanych wymaganiach jakościowych. Charakteryzują się one małą sprawnością, a ich współczynniki stabilizacji mają umiarkowaną wartość przy zmianach obciążenia i napięcia wejściowego. Poważną ich wadą jest brak możliwości regulacji napięcia lub prądu wyjściowego, których wartość zależy od doboru parametrów elementu nieliniowego.

4. Stabilizatory kompensacyjne: szeregowe i równoległe.

Szeregowe stabilizatory napięcia

Po lewej przedstawiono tzw. stabilizator wtórnikowy, w którym tranzystor pracuje w konfiguracji wspólnego kolektora równocześnie jako wzmacniacz i komparator. Napięcie wyjściowe nie może być regulowane i równa się napięciu diody Zenera pomniejszonemu o spadek na złączu BE tranzystora. Dioda Zenera jest zasilana z napięcia niestabilizowanego. Współczynnik stabilizacji jest zbliżony do wartości osiąganych w przypadku stabilizatora parametrycznego z diodą Zenera, ale ma on znacznie mniejszą różniczkową rezystancję wyjściową.

Równoległe stabilizatory napięcia

W stabilizatorach równoległych element regulacyjny umieszczony jest równolegle do obciążenia.

Zasada działania równoległego stabilizatora napięcia jest taka sam jak w przypadku układu parametrycznego z diodą stabilizacyjną. Ze względu na małą sprawność stabilizatory równoległe znajdują zastosowanie jedynie przy niewielkich prądach wyjściowych.

Stabilizatory równoległe cechują się:

- mniejszą sprawnością od stabilizatorów szeregowych,

- odpornością na zwarcia i przeciążenia,

- stałym poborem mocy ze źródła zasilania przy zmianach obciążenia

Stabilizatory kompensacyjne reagują zarówno na zmiany napięcia wejściowego jak i obciążenia układu. Najpoważniejszą ich wadą jest mała sprawność energetyczna ze względu na duże straty mocy w elementach regulacyjnych.

5. Stabilizatory scalone - podstawowe układy pracy

W zastosowaniach praktycznych ogromna większość stabilizatorów stanowi stabilizatory trzykońcówkowe. Można podzielić je na cztery podstawowe grupy:

- stabilizatory napięć dodatnich o ustalonym napięciu,

- stabilizatory napięć ujemnych o ustalonym napięciu,

- stabilizatory napięć dodatnich o napięciu ustalanym przez użytkownika,

- stabilizatory napięć ujemnych o napięciu ustalanym przez użytkownika.

Stabilizacja napięcia dodatniego o ustalonym napięciu wyjściowym

Stabilizator napięcia ujemnego o ustalonym napięciu wyjściowym

Stabilizacja napięcia dodatniego o napięciu dobieranym przez użytkownika

Uzyskiwanie napięć symetrycznych

Stabilizacja napięcia wyższego niż nominalne

6. Stabilizator LDO (Low Drop Out)

Coraz większą popularnością cieszą się stabilizatory typu Low Drop Out. Stosowane są przede wszystkim w urządzeniach zasilanych z akumulatorów i baterii, gdzie pozwalają wykorzystać praktycznie całą pojemność baterii.

typowy układ stabilizatora LDO

W rozwiązaniach stabilizatorów opartych na układach np. LM317 napięcie między wejściem a wyjściem musi wynosić co najmniej 3V. Poniżej ten wartości stabilizator w ogóle nie zadziała, co jest podstawową wadą tych elementów - ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we współczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie. Tymczasem układy LDO umożliwiają spadek potencjału od kliku do kilkudziesięciu miliwoltów.

schemat stabilizatora LDO

złożony z elementów dyskretnych

Typowa aplikacja stabilizatora LDO

Poniżej zaprezentowano charakterystykę pracy stabilizatorów LDO.

7. Bibliografia

[1] Kuta S.: Układy elektroniczne cz. I. Kraków 2000, AGH

[2] Filipkowski A.: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. Warszawa 1995, WNT.

[3] Górecki P.: Stabilizatory liniowe cz. I, II. EdW 9/96.

---