INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA

NR. 4

STABILIZACJA NAPIĘCIA

I. Wstęp

Stabilizatorem napięcia (Rys. 1) nazywamy układ, którego zadaniem jest utrzymywanie stabilnej wartości napięcia na wyjściu, niezależnie od czynników destabilizujących tzn. takich, które wpływają na jakość i wartość napięcia wyjściowego. Do takich czynników zalicza się:

• zmiany napięcia sieci zasilającej,

• zmiany kształtu napięcia zasilającego,

• zmiany częstotliwości sieci,

• zmiany obciążenia,

• zmiany temperatury, ciśnienia, wilgotności, czasu itp.

Rys.1 Ogólny schemat stabilizatora napięcia

Stabilizatory buduje się jako parametryczne (wykorzystuje się w takim przypadku parametry elementu np. charakterystykę diody Zenera) lub w postaci układów zawierających wzorce napięcia, wzmacniacze oraz obwód sprzężenia zwrotnego. Układy ze sprzężeniem zwrotnym zapewniają istotną poprawę jakości stabilizatorów napięcia. Zgodnie z podaną definicją, stabilizator napięcia powinien być praktyczną realizacją idealnego źródła napięcia. Oczywiście, parametry rzeczywistych stabilizatorów różnią się od parametrów źródeł idealnych. W przybliżeniu można przyjąć, że napięcie wyjściowe U_wy stabilizatorów napięcia jest funkcją:

• napięcia wejściowego U_we,

• prądu wyjściowego (obciążenia) I_wy,

• temperatury T

U_wy = f (U_we, I_wy, T)

Jeżeli rozpatrzymy najprostszy obwód ( Rys.2) ze źródłem o sile elektromotorycznej E₀ i oporności wewnętrznej R_W, to otrzymamy następujące wyrażenie na napięcie U_AB:

Rys. 2. Obwód ze źródłem o sile elektromotorycznej E₀ i oporności wewnętrznej R_W obciążony rezystancją R₀.

Jak widać napięcie wyjściowe zależy od stosunku rezystancji obciążenia R₀ do rezystancji wewnętrznej źródła R_W. Napięcie U_AB, będzie więc stałe, gdy:

1. R₀ = ∞, czyli w stanie jałowym I₀ = 0

2. R₀ >> R_W

II. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania i charakterem układów służących do stabilizacji napięcia:

1. Stabilizacja parametryczna przy użyciu diody Zenera,

2. Stabilizacja stabilizatorem tranzystorowym przy użyciu układów kompensacyjnych.

III. Stabilizacja parametryczna przy użyciu diody Zenera.

W stabilizatorach parametrycznych wykorzystuje się nieliniowe charakterystyki prądowo-napięciowe elementów użytych do ich budowy. Zmiana określonego parametru elementu stabilizującego daną wielkość wyjściową przeciwdziała czynnikom destabilizującym. Jako elementy stabilizujące stosuje się powszechnie: diody Zenera, warystory, termistory a także baretery, diody polowe. Podstawowy układ stabilizatora z diodą Zenera przedstawia Rys.3. Elementy dobiera się tak, aby zapewnić przepływ prądu przez diodę Zenera, przy czym spadek napięcia na diodzie oraz napięcie obciążenia są sobie równe i prawie niezależne od innych wielkości. W zakresie stabilizacji diodę Zenera przedstawia szeregowe połączenie źródła napięcia U_Z oraz rezystancji dynamicznej r_d.

Rys.3. Układ stabilizatora z diodą Zenera

Dioda Zenera

Dioda półprzewodnikowa ze złączem p-n o silnym domieszkowaniu oraz skokowej zmianie koncentracji domieszek, ma wąską strefę ładunków jonowych. Polaryzacja wsteczna takiego złącza powoduje lawinowe powielanie nośników w jego obszarze, prowadzące do przebicia. W stanie przebicia napięcie na diodzie nieznacznie zależy od prądu. Diody przystosowane do ciągłej pracy w stanie przebicia (używane do stabilizacji napięcia stałego), wykorzystujące efekt Zenera, nazywa się diodami Zenera. Warunkiem umożliwiającym pracę w stanie przebicia jest skuteczne odprowadzenie ciepła wydzielającego się wówczas w diodzie tak, aby temperatura jej złącza nie przekroczyła dopuszczalnej wartości. Przykładową charakterystykę prądowo-napięciową diody Zenera przedstawiono na Rys.4, gdzie oznaczono jej najważniejsze parametry

Uwaga!

Najważniejszym parametrem określającym jakość stabilizacji w stabilizatorach parametrycznych z diodą Zenera, jest jej rezystancja dynamiczna r_d.

Rys. 4 Charakterystyka statyczna (prądowo - napięciowa) diody Zenera.

1.Przebieg ćwiczenia

1.1. Wyznaczanie charakterystyki statycznej (prądowo - napięciowej) diody Zenera.

1. W kierunku zaporowym

Pomiary należy przeprowadzić w układzie jak na Rys.5. Napięcie na zasilaczu ustawić na wartość taką, aby prąd na diodzie nie przekroczył wartości max - 100mA. Następnie zmniejszając napięcie zasilania odczytywać wartości napięcia i prądu. Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli nr. 1.

Uwaga!

Elementy półprzewodnikowe podczas pracy nagrzewają się, a to powoduje zmiany ich parametrów. W celu uniknięcia tego zjawiska, pomiary należy wykonywać od max. wartości prądu oraz możliwie szybko.

Rys. 5. Układ do wyznaczania charakterystyki prądowo - napięciowej diody Zenera w kierunku zaporowym.

Użyte przyrządy:

Z₁ - zasilacz stabilizowany regulowany;

R₁ - rezystor;

A - amperomierz magnetoelektryczny;

V - woltomierz cyfrowy.

Tabela pomiarowa 1

Lp.	I,[mA]	U,[V]	rd [Ω]
1 . . . 10

2. W kierunku przewodzenia

Pomiary należy przeprowadzić według schematu podanego na Rys.6. Pomiary wykonujemy analogicznie jak przy wyznaczaniu charakterystyki w kierunku zaporowym.

Rys. 6. Układ do wyznaczania charakterystyki prądowo - napięciowej diody Zenera w kierunku przewodzenia.

Użyte przyrządy:

Z₁ - zasilacz stabilizowany regulowany;

R₁ - rezystor;

A - amperomierz magnetoelektryczny;

V₁ - woltomierz magnetoelektryczny;

V₂ - woltomierz cyfrowy do pomiaru spadku napięcia na diodzie.

Tabela pomiarowa 2

Lp.	U1, [V]	U2, [V]	I, [mA]
1 . . . 10

1. Na podstawie otrzymanych wyników zamieszczonych w tabeli nr. 1 i 2 należy na jednym wykresie umieścić charakterystyki I = f(U₂), w kierunku zaporowym i w kierunku przewodzenia.

2. Zaznaczyć rezystancję dynamiczną r_d, napięcie Zenera, napięcie progowe.

3. Z części liniowej charakterystyki statycznej w kierunku zaporowym należy wyznaczyć rezystancję dynamiczną r_d badanej diody.

1.2. Wyznaczanie charakterystyki stabilizacji stabilizatora z diodą Zenera.

Charakterystyka stabilizacji U₂ = f(U₁) określa zdolności stabilizacyjne diody przy różnym prądzie obciążenia. Pomiary wykonujemy według układu podanego na Rys.7.

Rys. 7. Układ do wyznaczenia charakterystyki stabilizacji stabilizatora z diodą Zenera.

Użyte przyrządy:

Z₁ - zasilacz stabilizowany regulowany;

A₁- amperomierz magnetoelektryczny;

V₁ - woltomierz magnetoelektryczny;

R₁ - opornik ograniczający prąd diody;

A₂ - amperomierz magnetoelektryczny mierzący prąd płynący przez diodę;

V₂ - woltomierz cyfrowy mierzący napięcie wyjściowe;

A₃ - amperomierz magnetoelektryczny mierzący prąd obciążenia;

R_b - rezystor bezpieczeństwa;

R₂ - opornik suwakowy.

Wartość prądu obciążenia I₃ zmieniamy regulując obciążenie rezystorem regulowanym R₂. Dla trzech wartości rezystancji obciążenia, należy zmieniać napięcie zasilające U₁ od możliwie największej wartości do zera i odczytywać wartości napięcia wyjściowego U₂.

Na podstawie otrzymanych wyników zestawionych w tabeli nr.3 wykreślić charakterystykę stabilizacji U₂ = f(U₁). Przykładową charakterystykę stabilizacji przedstawia Rys. 8.

Rys. 8 Charakterystyka stabilizacji stabilizatora z diodą Zenera dla różnych wartości rezystancji.

Z wyznaczonych uchybów wyliczyć współczynnik skuteczności stabilizacji S_u tzn. względną zmianę napięcia wyjściowego do względnej zmiany napięcia wejściowego.

Tabela pomiarowa 3

Lp

R2= max

R2= ½ max

R2= min

U1 [V]

U2 [V]

I1 [mA]

I2 [mA]

I3 [mA]

SU [-]

U1 [V]

U2 [V]

I1 [mA]

I2 [mA]

I3 [mA]

SU [-]

U1 [V]

U2 [V]

I1 [mA]

I2 [mA]

I3 [mA]

SU [-]

1 . . . 10

1.2.1. Wyznaczanie charakterystyki obciążenia stabilizatora z diodą Zenera.

Charakterystyka obciążenia określa nam zależność napięcia wyjściowego U₂ do prądu obciążenia I₃. Wyznaczenie charakterystyki obciążenia należy przeprowadzić według układu połączeń jak w punkcie poprzednim. Utrzymując stałą wartość napięcia zasilającego U₁, należy regulując opornik regulowany R₂ odczytywać wartości napięcia U₂ oraz prądów I₁, I₂, I₃. Pomiary należy wykonać dla dwóch różnych wartości napięcia zasilającego U₁ (większych od napięcia Zenera). Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów zestawionych w tabeli nr.4 należy wykreślić charakterystykę obciążenia U₂ = f(I₃). Przykładową charakterystykę obciążenia przedstawiono na Rys. 9.

Tabela pomiarowa 4

Lp.	U1 = ... V				U1 = ... V
		U2,[V]	I1,[mA]	I1,[mA]	I3,[mA]	U2,[V]	I1,[mA]	I1,[mA]	I3,[mA]
1 . . . 10

Uwaga!

1. Należy zwrócić uwagę, że zawsze powinna występować równość:

I₁ = I₂ + I₃

Jeżeli powyższa równość nie wystąpi należy w sprawozdaniu wyjaśnić przyczynę takiego stanu.

2. Na poniższym rysunku widzimy, że charakterystyka obciążenia przy wyższym napięciu zasilania nie zaczyna się od zera (tzn. prąd I₃ nie osiąga wartości „0”). Związane jest to z tym, że przy wzroście napięcia zasilania, zwiększa się prąd I₂ płynący przez diodę Zenera (Rys. 4). W tym układzie (Rys.7) prąd I₂=I₁-I₃. Stąd też, przy odpowiednio wysokim napięciu zasilania - ograniczenie prądu I₃ do „0” wymusi przepływ całkowitego prądu przez diodę powodując jej uszkodzenie. Dlatego stabilizator parametryczny oparty na diodzie Zenera ma określony zakres napięcia zasilania.

Rys. 9 Charakterystyka obciążenia stabilizatora z diodą Zenera przy dwóch różnych wartościach napięcia zasilania.

2.Badanie stabilizatora tranzystorowego prądu stałego US2 MA7805

Badany stabilizator jest stabilizatorem kompensacyjnym. Schemat typowego stabilizatora przedstawia Rys.10. Do najpopularniejszych należą stabilizatory serii 78XX dla napięć dodatnich i 79XX dla napięć ujemnych. Dwie końcowe cyfry oznaczają napięcie stabilizacji. Aby zwiększyć napięcie stabilizacji należy do elektrody, którą podłącza się normalnie do masy, podłączyć diodę Zenera lub ewentualnie zwykłą diodę germanową ( + 0,2 ÷ 0,3V ) lub krzemową ( + 0,6 ÷ 0,7V).

Rys.10 Typowy schemat stabilizatora napięcia z użyciem układów 78XX.

2.1. Wyznaczenie charakterystyki stabilizacji U₁ = f(U₂) przy prądzie obciążenia I₀ = const.

W celu wyznaczenia charakterystyki stabilizacji badany stabilizator należy połączyć według schematu przedstawionego na Rys.11

Rys. 11. Układ do badania stabilizatora tranzystorowego przy użyciu woltomierza cyfrowego.

Użyte przyrządy:

Z₁ - zasilacz stabilizowany regulowany;

V₁ - woltomierz magnetoelektryczny;

V₂ - woltomierz cyfrowy;

A₁- amperomierz magnetoelektryczny;

A₂- amperomierz magnetoelektryczny;

R_b - rezystor bezpieczeństwa;

R₀ - opornik suwakowy.

Pomiary wykonujemy analogicznie jak przy wyznaczaniu charakterystyki stabilizacji dla stabilizatora z diodą Zenera.

Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli nr.5. Z wyznaczonych uchybów wyliczyć współczynnik skuteczności stabilizacji S_u. Na podstawie uzyskanych wyników należy wykonać charakterystykę stabilizacji U₁ = f(U₂). Przykładowa charakterystykę stabilizacji przedstawia Rys.12.

Tabela pomiarowa 5

R2= max

R2= ½ max

R2= min

Lp.

၄U1 [V]

U1 [V]

၄U2 [V]

U2 [V]

SU [-]

၄U1 [V]

U1 [V]

၄U2 [V]

U2 [V]

SU [-]

၄U1 [V]

U1 [V]

၄U2 [V]

U2 [V]

SU [-]

1 . . . 10

Rys.12 Charakterystyka stabilizacji stabilizatora tranzystorowego.

2.2.Wyznaczanie charakterystyki obciążenia (zewnętrzna)

Charakterystyka zewnętrzna jest to zależność napięcia wyjściowego do prądu obciążenia U₂=f(I₀), przy stałym napięciu wejściowym U₁ = const. Pomiary należy przeprowadzić według układu połączeń jak w punkcie poprzednim. Pomiary wykonujemy dla dwóch wartości napięcia zasilającego U₁. Przy użyciu rezystora R₀ należy zmieniać prąd obciążenia i odczytywać przyrost napięcia wyjściowego na woltomierzu cyfrowym.

Napięcie wyjściowe określa się jako algebraiczną sumę napięcia wyjściowego w stanie jałowym i przyrostu napięcia:

U₂ = U_2o Ⴑ U₂

Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów zamieszczonych w tabeli nr. 6 należy wykonać charakterystykę U₂ = f(I₀). Przykładową charakterystykę przedstawia Rys.13.

Tabela pomiarowa 6

Lp.	I0, [mA]	၄U2, [V]	U2, [V]
1 . . . 10

Rys. 13. Charakterystyka obciążenia (zewnętrzna) stabilizatora tranzystorowego.

2.3. Charakterystyka zasilacza Z1 bez stabilizatora

Pomiary należy przeprowadzić według schematu podanego na Rys.14. Pomiar ten służy do porównania pracy zasilacza ze stabilizatorem i bez stabilizatora. Stabilizator zostaje odłączony, napięcie wyjściowe ustawiamy na 10V, U₁ = 10V. Przy zmianach prądu obciążenia należy odczytywać zmiany napięcia wyjściowego ∆U₂ na woltomierzu.

Całkowite napięcie wyjściowe będzie równe:

U₂ = 10V ± ∆U₂

Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli nr.7 i na podstawie wyników wykonać na jednym wykresie charakterystykę zewnętrzną zasilacza ze stabilizatorem i bez stabilizatora.

Rys. 14 Układ do badania zasilacza.

Użyte przyrządy:

Z₁ - zasilacz stabilizowany regulowany;

A - amperomierz magnetoelektryczny;

V - woltomierz magnetoelektryczny;

R₂ - rezystor suwakowy obciążenia.

Tabela pomiarowa 7

Lp.	I0, [mA]	၄U2, [V]	U2, [V]
1 . . . 10

ZAGADNIENIA DO ĆWICZENIA

1. Parametry diody Zenera, charakterystyka statyczna.

2. Układ stabilizacji z diodą Zenera, zalety i wady.

3. Charakterystyki obciążenia rzeczywiste i idealne stabilizatorów, przyczyny różnic.

4. Pojęcie stabilizacji, współczynnik stabilizacji.

5. Wpływ obciążenia diody na jej zdolności stabilizacyjne, parametry destabilizacji.

6. Stabilizator napięcia i stabilizator prądu różnice i podobieństwa.

Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych

Laboratorium Metrologii Elektrycznej i Elektronicznej. Część II.

Katedra Elektroniki

Laboratorium Podstaw Elektroniki i Energoelektroniki

6

str. 11

---