Nr grupy dziekanatowej: 1 / IMIR	Temat ćwiczenia: M6. Zasilacz elektroniczny, wzmacniacz operacyjny	Data zajęć: 07.04.2009
Grupa lab.: C	Nazwisko i imię: Augustyn Piotr Atamańczuk Paweł Bajorski Michał Bednarski Mateusz Beszter Maciej	Ocena:
Prowadzący: prof. dr hab. Zygfryd Głowacz

I. Wstęp teoretyczny.

Wzmacniacz operacyjny to wielostopniowy, różnicowy wzmacniacz prądu stałego, charakteryzujący się bardzo dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym. Zwykle służy on podobnie jak inne wzmacniacze do wzmocnienia napięcia czy też mocy, różni się jednak od zwykłych wzmacniaczy tym, że w przeciwieństwie do nich sposób jego działania zależy głównie od zastosowanego zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego.

Wzmacniacze operacyjne są najbardziej rozpowszechnionym analogowym układem elektronicznym, realizowanym obecnie w postaci monolitycznych układów scalonych. Wielka uniwersalność, przy jednoczesnym wykorzystaniu istotnych właściwości układów scalonych, daje możliwość stosowania ich w rozmaitych układach, urządzeniach i systemach elektronicznych, zapewniając masową produkcję, niską cenę i bardzo dobre parametry użytkowe.

Rys. 1: Powszechnie stosowany symbol Rys. 2: Symbol z dodatkowymi oznaczeniami

Wzmacniacze operacyjne posiadają dwa wejścia: odwracające (odwracają fazę sygnału wejściowego) oznaczane symbolem `-` (U-) i nieodwracające oznaczane symbolem '+' (U+), oraz jedno wyjście (Uo). Różnica napięć wejściowych nazywa się napięciem różnicowym (U_d = U ₊ − U ₋ ).

Idealny wzmacniacz charakteryzuje się:

• nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego;

• nieskończenie duża wejściowa impedancja zarówno różnicowa jak i pomiędzy każdym wejściem i masą;

• impedancja wyjściowa równa zeru;

• nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości;

• napięcie wyjściowe równe zeru przy równych napięciach wejściowych;

• zerowy prąd wejściowy;

• nieskończenie duży dopuszczalny prąd wyjściowy;

• nieskończenie duże tłumienie sygnału współbieżnego;

• niezmienność parametrów pod wpływem temperatury;

W rzeczywistości parametry rzeczywistego wzmacniacza odbiegają od podanych powyżej założeń.

Rozróżniamy trzy podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego:

Rys. 3: Układ proporcjonalny Rys. 4: Układ całkujący

Rys. 5: Układ różniczkujacy

Zasilacz elektroniczny to urządzenie służące do dopasowania dostępnego napięcia do wymagań zasilanego urządzenia. Każdy zasilacz sieciowy napięcia stałego składa się transformatora i układu zamieniającego obniżone napięcie przemienne na stałe, czyli układu prostownika z filtrem.

Rys. 6: Zasilacz elektroniczny

1. Transformator. Najtrudniejszym zadaniem jest właściwy dobór transformatora, gdyż musi on uwzględniać wiele czynników mających wpływ na pracę zasilacza takich jak:

• dopuszczalny zakres zmian napięcia;

• spadek napięcia na prostowniku;

• spadek napięcia na stabilizatorze;

• minimalną wartość napięcia potrzebnego do poprawnej pracy układu stabilizatora;

• straty napięcia wyjściowego wynikające z rezystancji wewnętrznej uzwojeń transformatora;

• moc wyjściową zasilacza i straty mocy na poszczególnych elementach zasilacza .

Przy projektowaniu zasilaczy dużą rolę odgrywa rezystancja wewnętrzna Rw uzwojeń transformatora. Jest to bardzo ważny parametr, jednak najczęściej zapomina się o nim. Często słyszy się określenia, że transformator jest bardziej lub mniej "miękki", czyli że napięcie wyjściowe zmniejsza się przy zwiększaniu obciążenia. Za taki efekt odpowiedzialna jest właśnie rezystancja uzwojeń.

2. Prostownik w układzie mostkowym. Zadaniem prostownika jest otrzymanie na wyjściu napięcia wyprostowanego dwupołówkowego, co widać na zdjęciu obok. Poziome odcinki pomiędzy połówkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach.

3. Filtr (pojemnościowy). Kondensator, który należy umieścić na wyjściu układu

prostownika odgrywa bardzo ważną rolę gdyż od niego zależy wielkość tętnień napięcia wyjściowego. Dopuszczalną wartość tętnień wyznaczy nam znamionowa wartość napięcia wyjściowego transformatora (jakim będziemy dysponować), spadek napięcia na diodach prostownika oraz wymagana różnica napięć pomiędzy wyjściem i wejściem stabilizatora oraz oczywiście napięcie wyjściowe stabilizatora.

4. Stabilizator napięcia stałego to układ elektryczny dostarczający do odbiornika napięcie o stałej wartości. W zasilaczach wyróżniamy dwa rodzaje stabilizatorów:

a) parametryczne - wykorzystują nieliniowe charakterystyki napięciowo - prądowe elementów użytych do budowy stabilizatora. Najczęściej wykorzystywanym elementem stabilizującym jest dioda Zenera. Jest to specjalna dioda krzemowa pracująca przy polaryzacji zaporowej przy napięciu nieznacznie wyższym od napięcia przebicia nazywanego napięciem Zenera.

Napięcie na pracującej diodzie, a tym samym na odbiorniku, jest praktycznie stałe w szerokim przedziale zmian prądu przepływającego przez diodę. Przy zmianach napięcia wejściowego, ulega zmianie natężenie prądu, ale tylko kosztem zmiany natężenia prądu, w efekcie na rezystorze szeregowym Rz odkłada się praktycznie całkowity przyrost napięcia wejściowego, a napięcie wyjściowe pozostaje na tym samym poziomie.

b) kompensacyjne - porównują napięcie stabilizowane ze wzorcowym i w przypadku ich różnicy tak działają na element sterujący, że kompensuje on zmiany napięcia wyjściowego. Obecnie stabilizatory kompensacyjne budowane są jako układy monolityczne, w których skład wchodzi wiele elementów połączonych w oparciu o złożony schemat wewnętrzny.

Wadami stabilizatorów kompensacyjnych jest:

• rozbudowany układ;

• napięcie na wyjściu nie jest tak „wygładzone” jak w przypadku diody Zenera.

Cechą szczególnie odróżniającą stabilizator kompensacyjny od stabilizatora parametrycznego jest bardzo mały prąd wejściowy w stanie jałowym, praktycznie stały w przedziale zmian napięcia wejściowego.

II. Przebieg ćwiczenia.

1. Obserwacja charakterystyki napięć na ekranie oscyloskopu.

a) Wykresy napięć wzmacniacza.

Wejście: przebieg sinx ; Wyjście: przebieg -cosx .

Rys. 7: Wykres układu proporcjonalnego

Wejście: przebieg prostokątny; Wyjście: przebieg trójkątny.

Rys. 8: Wykres układu całkującego

Wejście: przebieg trójkątny; Wyjście: przebieg prostokątny.

Rys. 9: Wykres układu różniczkującego

b) Tabelaryczne zestawienie wyników

Pomiar napięć na mostku Gretza

Wartość maksymalna napięcia wyprostowanego	V	11
Wartość średnia napięcia wyprostowanego	V	7,5
Wartość napięcia wstecznego	V	-11

Wyznaczanie rezystancji wewnętrznej stabilizatorów

U	V	4,6	4,6	4,6	4,5	4,5	4,4	4,3	4,2	4,1
I	A	0,006	0,008	0,01	0,015	0,02	0,025	0,03	0,035	0,04
Stabilizator parametryczny									R wew	Ω
U	V	4	4	3,9	3,9	3,9
I	A	0,02	0,04	0,1	0,15	0,2
Stabilizator kompensacyjny									R wew	Ω

Pomiar amplitudy napięcia wyjściowego i wyjściowego oscyloskopem

	R1	R2	R3
Uwe	2	2	2
Uwy	4	20	40
Uwy/Uwe	2	10	20

c) Obliczenia

Wzmacniacz operacyjny jako integrator - amplituda otrzymanego napięcia półkolistego





E = 0,2V; f = 37Hz; C₁ = 4 * 10^-6; R₁ = 1000 Ω




Sumacyjna praca wzmacniacza

U_wy=-R₃(E₁/R₁+E₂/R₂)
R₃=10000Ω; E₁=-2V; E₂=1V; R₁=5000 Ω; R₂=1000Ω

U_wy=-10000(-0,0004+0,001)=-6


d) Wniosek.

W czasie wykonywania powyższego ćwiczenia mogliśmy zaobserwować na ekranie oscyloskopu wykresy przedstawiające charakterystykę napięć wzmacniacza oraz zalicza. W obu przypadkach sygnał rzeczywisty, jaki docierał do urządzenia pomiarowego nie był idealny, co mogliśmy momentami zaobserwować. Powodem wystąpienia zniekształceń wykresów było wystąpienie zakłóceń.

Zadaniem zasilacza elektronicznego jest wyprostowanie oraz dopasowanie dostępnego napięcia do wymagań zasilanego urządzenia. Efekt pracy tego urządzenia bez obciążenia mogliśmy zaobserwować podczas przeprowadzonego ćwiczenia w postaci linii prostej wyświetlanej na ekranie oscyloskopu. W momencie przyłączenia obciążenia wykres uległ nieznacznemu zniekształceniu.

2

---