Zespół Szkół nr 9 im. Romualda Traugutta
w Koszalinie

Temat ćwiczenia:

Badanie stabilizatora impulsowego

Koszalin rok szk. 2002/2003

Spis treści:

Spis ilustracji:

1. Wiadomości ogólne o stabilizatorach parametrycznych i kompensacyjnych napięcia oraz prądu stałego o działaniu ciągłym i impulsowym.

Stabilizatorem napięcia lub prądu stałego nazywa się układ, którego zadaniem jest utrzymanie teoretycznie niezmiennej wartości napięcia lub prądu na wyjściu, przy określonych zmianach napięcia zasilającego, obciążenia oraz czynników zewnętrznych, np. temperatury, ciśnienia, wilgotności, czasu itd.

Ze względu na zasadę działania stabilizatory napięcia i prądu stałego można podzielić na: parametryczne, kompensacyjne o działaniu ciągłym i impulsowym.

Cechą charakterystyczną wszystkich stabilizatorów parametrycznych jest brak zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego. Wykorzystuje się natomiast nieliniowe charakterystyki prądowo-napięciowe elementów użytych do ich budowy. Zmiana określonego parametru elementu stabilizującego przeciwdziała wówczas czynnikom destabilizującym. W stabilizatorach napięcia elementy stabilizujące są włączane równolegle z obciążeniem (Rys. 1), a w stabilizatorach prądu - szeregowo (Rys. 2).

Rys. 1. Stabilizator z elementem stabilizującym włączonym równolegle z obciążeniem.

Rys. 2. Stabilizator z elementem stabilizującym włączonym szeregowo z obciążeniem.

Jako elementy stabilizujące stosuje się: diody stabilizacyjne, warystory, termistory, baretery, diody polowe i ostatnio specjalne układy dwukońcówkowe stabilizujące prądy przy zmianie napięcia.

Jakość stabilizatorów parametrycznych jest niska i dlatego zastosowanie ich ogranicza się do przypadków o niezbyt wygórowanych wymaganiach.

W stabilizatorach kompensacyjnych napięcia o działaniu ciągłym w procesie stabilizacji następuje porównanie napięcia stabilizowanego (najczęściej napięcia wyjściowego U_wy lub jego części) z wzorcowym napięciem odniesienia E_n. W przypadku gdy napięcia ta nie są równe, ich różnica, tzw. odchyłka regulacji, po wzmocnieniu działa na układ regulacyjny zmieniając jego rezystancję w taki sposób, aby zmiana spadku napięcia na nim przeciwdziałała zmianie napięcia stabilizowanego.

Układ regulacyjny stanowi najczęściej odpowiedni tranzystor lub zestaw tranzystorów (w stabilizatorach wysokich napięć - lampa elektronowa). Może być on połączony szeregowo (Rys. 1) lub równolegle (Rys. 2) z obciążeniem. W związku z tym wyróżnia się stabilizatory szeregowe i stabilizatory równoległe.

Rys. 3. Stabilizator szeregowy. 1) Układ regulacyjny. 2) Źródło napięcia odniesienia.

Rys. 4. Stabilizator równoległy. 1) Układ regulacyjny. 2) Źródło napięcia odniesienia.

Stabilizatory równoległe są w praktyce stosowane rzadziej, gdyż jedyną ich zaletą jest naturalne zabezpieczenie elementu regulacyjnego przed przeciążeniem. Do ich wad należy zaliczyć małą stabilność oraz niewielką sprawność, gdyż niezależnie od wartości prądu obciążenia pobierają one z układu zasilającego prąd znamionowy.

W stabilizatorach szeregowych jest stabilizowane napięcie wyjściowe zarówno przy zmianie napięcia wejściowego, jak i zmianach prądu obciążenia. Wadą tych stabilizatorów jest brak zabezpieczenia układu regulacyjnego przed przeciążeniem lub zwarciem na wyjściu. Zmusza to do stosowania dodatkowych elementów zabezpieczających.

Stabilizatory kompensacyjne prądu są zbudowane podobnie jak stabilizatory napięcia; zawieją one dodatkowo rezystor próbkujący R_pr (Rys. 4.) połączony szeregowo z obciążeniem R₀. Na rezystorze tym powstaje spadek napięcia proporcjonalny do prądu wyjściowego I_wy. Różnica tego spadku napięcia i napięcia odniesienia E_n, za pośrednictwem wzmacniacza odchyłki, sterują układ regulacyjny w taki sposób, aby prąd I_wy był niezmienny. Stabilizacja prądu odbywa się zatem pośrednio - przez stabilizację spadku napięcia na rezystorze R_pr. Do budowy tych stabilizatorów można wykorzystać stabilizatory napięcia.

Rys. 5. Kompensacyjny szeregowy stabilizator prądu. 1) Układ regulacyjny. 2) Źródło napięcia odniesienia. 3) Wzmacniacz uchybu.

Rys. 6. Kompensacyjny równoległy stabilizator prądu. 1) Układ regulacyjny. 2) Źródło napięcia odniesienia. 3) Wzmacniacz uchybu.

W stabilizatorach impulsowych układ regulacyjny nie pracuje w sposób ciągły, lecz jako przełącznik. Rolę przełącznika spełnia najczęściej tranzystor sterowany impulsami przesuwającymi punkt pracy z obszaru nasycenia do obszaru nieprzewodzenia (lub odwrotnie). Stan nasycenia tranzystora odpowiada zwarciu wyłącznika, a stan nieprzewodzenia - rozwarciu. Gdy przełącznik jest zwarty, do obciążenia R₀ poprzez filtr LC zmniejszający tętnienia (Rys. 7.) jest doprowadzone napięcie wejściowe.

Gdy wyłącznik jest rozwarty, przez diodę zamka się obwód prądu wyjściowego. Przy pominięciu spadku napięcia na rezystancji czynnej dławika napięcie wyjściowe U_wy
Q_uwe. Zmieniając współczynnik wypełnienia impulsów, można zmieniać wartość średnią napięcia wyjściowego. Stabilizatory impulsowe mogą pracować jako układy samooscylujące lub jako układy sterowane zewnętrznie.

Rys. 7. Podstawowy układ stabilizatora impulsowego.

W samooscylujących stabilizatorach impulsowych impulsy kluczujące (sterujące włącznikiem) są wytwarzane w układach wewnętrznych stabilizatora, często przez zastosowanie dodatkowego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu odchyłki (Rys. 8).

Rys. 8. Układ samooscylującego stabilizatora impulsowego.

Do sterowania stabilizatorów impulsowych sterowanych zewnętrznie są wykorzystywane impulsy z dodatkowego generatora. Zaletą tego typu stabilizatorów jest niezależność częstotliwości impulsów sterujących od elementów stabilizatora, wadą - konieczność zastosowania dodatkowego generatora. Stabilizatory te są używane rzadziej od stabilizatorów impulsowych samooscylujących.

Stabilizatory impulsowe, ze względu na dużą sprawność (rzędu 90%), wykorzystuje się przede wszystkim w urządzeniach, gdzie ekonomiczność zasilania stawiana jest na pierwszym miejscu, a także jako stabilizatory wstępne, dostarczające napięcie wejściowe do stabilizatorów o działaniu ciągłym. Do wad stabilizatorów impulsowych należy długi czas reakcji na zakłócenia, np. skokową zmianę prądu obciążenia. Znacznie częściej buduje się impulsowe stabilizatory napięcia, natomiast bardzo rzadko - impulsowe stabilizatory prądu.

Zgodnie z podaną na początku definicją stabilizator napięcia powinien być praktyczną realizacją idealnego źródła prądowego.

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 wejściowego, napięcia wyjściowego i temperatury.

Wpływ napięcia wejściowego stabilizatorów prądu ujmują charakterystyki przejściowe:

• stabilizatorów napięcia - U_wy = f (U_we) przy I_wy = const (Rys. 9)

• stabilizatorów prądu - I_wy = ­­­f (I_we) przy U_we = const (Rys. 10)

Rys. 9. Charakterystyka przejściowa stabilizatora napięcia.

Rys. 10. Charakterystyka przejściowa stabilizatora prądu.

Dla stabilizatorów idealnych charakterystyki te są prostymi równoległymi do osi odciętych w zakresie dopuszczalnych zmian napięcia wyjściowego. Zakres ten jest ograniczony minimalną U_wemin i wartość maksymalną U_wemax napięcia wejściowego (.).

Taki sam przebieg powinny mieć charakterystyki wyjściowe (obciążeniowe) stabilizatorów idealnych:

• napięcia - U_wy = f (I_wy) przy U_we = const (Rys. 11)

• prądu - I_wy = f (U_wy) przy U_we = const (Rys. 12)

Rys. 11. Charakterystyka wyjściowa stabilizatora napięcia.

Rys. 12. Charakterystyka wyjściowa stabilizatora prądu.

W stabilizatorach rzeczywistych charakterystyki to mają pewne nachylenie w stosunku do osi odciętych. Wtedy dla stabilizatorów napięcia maksymalnemu prądowi I_wymax odpowiada napięcia U_wyL, a prądowi minimalnemu I_wymin - napięcie U_wyH. Podobne symbole stosuje się dla stabilizatorów prądu.

2. Porównanie zasilaczy o pracy ciągłej i zasilaczy impulsowych.

Jak zauważyliśmy z punktu widzenia funkcjonalnego, zasilacze mogą być podzielone na zasilacze pracy ciągłej i zasilacze impulsowe. Każdy z nich ma swoje wady i zalety, które należy rozpatrzyć przed zastosowaniem.

Zalety zasilaczy o pracy ciągłej są następujące:

• mniejsza liczba podzespołów

• większa niezawodność

• sprawdzona technologia

• wyjątkowo małe tętnienia wyjściowe i niskie szumy

• brak zakłóceń elektromagnetycznych

• łatwa możliwość spełnienia wymagań dotyczących bezpieczeństwa i zgodności z normami VDE i UL

• mniejsze koszty

• łatwość wykrywania uszkodzeń i badania

• łatwy dostęp do podzespołów.

Ten rodzaj zasilaczy jest więc tańszy, bardziej niezawodny i prostszy w działaniu. Oznacza to, że naprawy serwisowe mogą być wykonywane przez odpowiednio wyszkolony personel techniczny.

Wadą zasilaczy o pracy ciągłej jest to, że niespełniają wymagań współczesnych technologii produkcji związanych z miniaturyzacją (zawierają duży i ciężki transformator sieciowy 50 Hz). Istotną ich wadą są również stosunkowo duże straty mocy tranzystorów regulacyjnych. Straty mocy mogą być odprowadzone do otoczenia (w postaci ciepła) tylko poprzez duży radiator lub niekiedy przez chłodzenie wymuszone (wentylator).

Tendencja zmniejszenia wagi i wymiarów zasilaczy konwencjonalnych doszła do pewnego progu na skutek coraz szerszego zastosowania układów scalonych.

Trudności związane z konwencjonalnymi zasilaczami mogą być przezwyciężone jedynie przez zastąpienie elementu regulacyjnego regulowanym przełącznikiem o dostatecznie dużej częstotliwości pracy. Na tych dwóch zasadach, odpowiednio dopasowanych, jest oparta zasada działania zasilacza impulsowego (Rys. 13).

Rys. 13. Zasada działania stabilizatora impulsowego. 1) Prostownik sieciowy. 2) Układ przekazywania energii przetwornicy DC-DC. 3) Obwód sterujący. 4) Obwód regulacji.

Zalety zasilaczy impulsowych w stosunku do zasilaczy konwencjonalnych są następujące:

• praca przerywana elementu regulacyjnego, do pociąga za sobą mniejsze straty, większą sprawność, niewielkie wymiary radiatora

• Wysoka częstotliwość pracy, umożliwiająca zmniejszenie wymiarów transformatora i elementów filtrujących strony wtórnej

• możliwość pracy w szerokim zakresie napięcia wejściowego, gdyż wystarcza jedynie zmienić współczynnik wypełnienia impulsów

• podtrzymanie napięcia wyjściowego, przy krótkim zaniku przemiennego napięcia wejściowego (max 5 okresów).

Ponadto w beztransformatorowym prostowniku sieciowym, kondensator buforowy może być zmniejszony z następujących powodów

• dzięki większej sprawności, wymagania dotyczące filtracji są mniejsze, przy równej mocy wyjściowej

• na skutek praktycznie bezstratnej regulacji są dopuszczalne większe tętnienia napięcia

• dzięki prostowaniu napięcia sieci można zmniejszyć wartość pojemności, przy stałej energii.

Oprócz ww. zalet, należy uwzględnić następujące wady zasilaczy impulsowych w porównaniu do zasilaczy konwencjonalnych:

• nieco bardziej skomplikowany układ

• wolniejsza odpowiedź na nagłe zmiany obciążenia

• większe trudności z filtracją napięcia wyjściowego (napięcia przydźwięku).

Dla ułatwienia tego przeglądu w tabelach przedstawiono porównanie obu rodzajów zasilaczy.

Użytkownik, który rozpatruje, np. skomplikowany zasilacz impulsowy jako „czarną skrzynkę” i w  tym znaczeniu dołącza ją do swojego systemu, może, może być narażony na pewne niespodzianki. Jeżeli bazuje on jedynie na informacjach zawartych w prospekcie, to dysponuje tylko wstępnymi danymi o kompatybilności zasilacza i systemu. Do uzyskania pełnego obrazu oddziaływań wzajemnych, należy zwykle przeprowadzić badanie kwalifikacyjne systemu.

Reasumując, można stwierdzić, że niecelowe jest już budowanie zasilaczy stabilizowanych z elementów dyskretnych. Najnowocześniejsze zasilacze budowane z układów scalonych zawierają zarówno stabilizator impulsowy jak i konwencjonalny stabilizator o pracy ciągłej, co pozwala wykorzystać zalety obu technik stabilizacji.

Parametr	Zasilacz ze stabilizatorem o pracy ciągłej	Zasilacz impulsowy
Sprawność	30 ÷ 45 %	60 ÷ 90 %
Masa (około)	6 kg/100 W	1,5 kg/100 W
Objętość	7,5 dm­­^3/100 W	1,5 dm^3/100 W
Zakłócenia	Ewentualnie niezbędne kondensatory odkłócające	Konieczne środki konstrukcyjne i filtry odkłócające
Wskaźnik porównawczy	Zasilacz ze stabilizatorem o pracy ciągłej	Zasilacz impulsowy
Koszty opracowania	średnie	wysokie
Koszty produkcji	wysokie	niskie
Cena/moc	średnia	mała
Objętość	duża	bardzo dobra
Masa	duża	mała
Sprawność	dobra	bardzo wysoka
Odkłócenia	bezproblemowe	niezbędne elementy odkłócające
Okres pracy bezawaryjnej	50000 do 100000 godz.	50000 godz
Naprawa	prosta	wymaga większej fachowości lepszego oprzyżądowania
Czułość na zmianę częstotliwości	mała	brak
Niezbędna całkowita powierzchnia radiatora elementu regulacyjnego mocy	duża	bardzo mała (0,1...0,2)
Objętość części niestabilizowanej zasilacza	duża (transformator 50 Hz)	bardzo mała (brak transformatora)
Parametr regulacji	doskonały	dobry
Odpowiedź impulsowa	doskonała (5...50)	słaby (100...1000)
Napięcie szumów i tętnień	niewielkie (0,2...2)	duże (10..60)
Podtrzymywanie napięcia wyjściowego przy krótkotrwałym zaniku napięcia zasilającego	słabe (1...10)	doskonałe (przy ILmax - 20...50 przy 0,5 Ilmax - 80...500)
Dopuszczalne wahania nominalnego napięcia wejściowego	+ 10 - 15	+ 20 - 40
Temperatura zasilacza	~ 80...85	~ 35...40

Tabela 1. Porównanie rożnych rodzajów zasilaczy stabilizowanych.

3. Zasada pracy stabilizatora impulsowego.

Zasada pracy impulsowego stabilizatora napięcia polega na przekształceniu za pomocą elementu regulacyjnego napięcia stałego U_z ze źródła pierwotnego w ciąg okresowych jednokierunkowych impulsów prostokątnych (Rys. 14). Obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego stabilizatora oddziaływuje na parametry czasowe impulsów - czas trwania impulsów t_imp, okres T_k, częstotliwość przełączania (powtarzania impulsów) f_k - w ten sposób, aby średnia wartość napięcia na wyjściu była utrzymana na niezmiennym poziomie

U_LSR = U_z

przy czym γ - odwrotność współczynnika wypełnienia impulsów wyraża się zależnością

γ =

Rys. 14. Zasada działania stabilizatora impulsowego.

Na wyjściu impulsowego stabilizatora napięcia jest demodulator, który przekształca impulsy ponownie na napięcie stałe. Zazwyczaj tym układem jest jednosekwencyjny inkukcyjno-pojenościowy filtr wygładzający F (Rys. 14.)

Regulacja napięcia U_Lśr może się odbywać różnymi sposobami:

1. Przez zmianę czasu stanu wyłącznie (lub stanu załączenia) elementu regulacyjnego przy stałej częstotliwości przełączania (modulacja szerokości impulsów).

2. Przez zmianę częstotliwości przełączania elementu regulacyjnego przy stałym czasie trwania impulsów (modulacja częstotliwości impulsów). Stabilizatory napięcia oparte na tej metodzie są nazywane stabilizatorami przekaźnikowymi lub stabilizatorami z regulacją dwupołożeniową.

3. W sposób kombinowany - za pomocą modulacji szerokości impulsów i modulacji częstotliwości impulsów.

W impulsowych stabilizatorach napięcia z modulacją szerokości impulsów częstotliwość komutacji elementu regulacyjnego zależy od sygnału generatora. Stałość częstotliwości modulacji jest istotną zaletą takiego układu, ponieważ umożliwia optymalny dobór parametrów elementów filtru wygładzającego i filtru wejściowego, a więc uzyskanie minimalnych rozmiarów i masy filtrów. Stabilizator impulsowy z modulacją szerokości impulsów jest sterowany za pomocą takiego samego obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego, jak stabilizator napięcia o regulacji ciągłej; wzmocniony sygnał błędu doprowadzany jest do demodulatora z układu porównującego, w którym napięcie wyjściowe porównywane jest z napięciem odniesienia. Modulator przekształca sygnał ciągły w sygnał impulsowy, który staruje pracą elementu regulacyjnego.

W dwupołożeniowych stabilizatorach napięcia na wejściu obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego jest stosowany układ przełączający (przekaźnikowy) o dwóch progach, który steruje pracą elementu regulacyjnego.(Rys. 14.). Taką charakterystykę na np. przerzutnik Schmitta, układy z dławikiem nasyconym ze wzmacniaczem magnetycznym i in.

W procesie pracy na wejściu układu przekaźnikowego odbywa się porównanie wyjściowego napięcia stabilizatora impulsowego z określonym progowym napięciem odniesienia. W zależności od doprowadzonego do wejścia sygnału błędu układ przekaźnikowy może znajdować się w jednym z dwóch możliwych stanów (otwartym lub zamkniętym). Wzrost z jakichkolwiek przyczyn napięcia wyjściowego stabilizatora impulsowego będzie zachodził dotąd, aż będzie osiągnięte napięcie zadziałania U₂ układu przekaźnikowego. W tej chwili nastąpi rozwarcie obwodu zasilającego stabilizatora i napięcie wyjściowe zacznie się zmniejszać. Zmniejszanie się napięcia wyjściowego będzie zachodzić tak długo, aż zostanie osiągnięta wartość napięcia zwalniania U₁ przekaźnika. Element regulujący ponownie zwiera obwód zasilania stabilizatora impulsowego, napięcie na wyjściu znów zacznie wzrastać i opisany proces powtarza się.

Im większa jest szybkość zmian napięcia wyjściowego i większa czułość układu przełączającego, tym większa jest częstotliwość komutacji stabilizatora. Silna zależność częstotliwości komutacji od wahań sieci zasilającej i prądu obciążenia oraz większa, niż w stabilizatorach z modulacją szerokości impulsów, amplituda tętnień zapięcia wyjściowego - to podstawowe wady przekaźnikowych impulsowych stabilizatorów napięcia. Składowa zmienna napięcia wyjściowego zawiera wyższe harmoniczne o szerokim zakresie częstotliwości zmniejszającym się podczas pracy, do w większości przypadków jest niekorzystne. Z powodu zmiennej częstotliwości komutacji nie można dobrać optymalnych parametrów elementów filtrów wygładzającego i wyjściowego. Stabilność napięcia wyjściowego stabilizatorów przekaźnikowych, ogólnie rzecz biorąc jest gorsza niż stabilizatory z modulacją szerokości impulsów, co jest spowodowane istnieniem zakresu nieczułości układu przekaźnikowego.

4. Parametry stabilizatorów napięcia.

Do najważniejszych parametrów stabilizatorów napięcia należy zaliczyć:

1. Czas nagrzewania: czas mierzony od chwili przyłożenia napięcia zasilającego do zasilacza, do chwili ustalenia się wartości napięcia wyjściowego (prądu wyjściowego) przy wymaganych warunkach;

2. Czas opóźnienia włączenia: czas mierzony od chwili włączenia napięcia sieci, do chwili ustalenia się napięcia wyjściowego na nominalnym ustawionym wcześniej poziomie. Czas opóźnienia włączenia jest mierzony przy nominalnym napięciu wejściowym i pełnym obciążeniu i wynosi 100 ÷ 700 ms.

3. Częstotliwość (zakres częstotliwości) sygnału przełączania: producenci zasilaczy impulsowych podają zwykle częstotliwość pracy względnie zakres częstotliwości pracy zasilacza przy minimalnym i maksymalnym prądzie obciążenia.

4. Dopuszczalny poziom akustyczny szumów: mierzony w zamkniętej komorze nie powinien przekraczać dopuszczalnego poziomu granicznego. Podzespoły generujące szumy to: transformator sieciowy i dławik (w zasilaczach o pracy ciągłej) oraz transformator pracujący poniżej częstotliwości 16 kHz (w zasilaczach impulsowych).

5. Impedancja wyjściowa; rezystancja wewnętrzna R₀; R_b: stosunek zmian napięcia wyjściowego do zmian prądu wyjściowego wywołującego tę zmianę
   . Jest ona określona dla zadanej częstotliwości lub zadanego zakresu częstotliwości. Jej wartość rośnie ze wzrostem częstotliwości. Rezystancja wewnętrzna stabilizatora napięcia decyduje o tym, w jakim stopniu napięcie wyjściowe stabilizatora napięcia zależy od zmiany obciążenia.

6. Minimalny prąd obciążenia I_Lmin [mA]: niektóre typy stabilizatorów napięcia spełniają zadane parametry wyjściowe jedynie powyżej określonego minimum prądu obciążenia. Dlatego stabilizatory tego typu powinny pracować z prądem obciążenia. Dlatego stabilizatory tego typu powinny pracować z prądem przekraczającym minimalny prąd obciążenia lub być zbocznikowane rezystancją o odpowiedniej wartości. W niektórych stabilizatorach jako obciążenie stosuje się neonówkę ze względu na jej nieliniową charakterystykę.

7. Moc strat - różnica mocy wejściowej i wyjściowej.

8. Najmniejsza dopuszczalna różnica między napięciem wejściowym i napięciem wyjściowym U_i - U_o [V]: najmniejsza dopuszczalna różnica miedzy niestabilizowanym napięciem wejściowym a stabilizowanym napięciem wyjściowym.

9. Napięcie tętnień U_r [V]: składowa napięcia wyjściowego, której częstotliwość jest wielokrotnością częstotliwości wejściowego napięcia zasilającego i każdej częstotliwości przełączania generowanej przez zasilacz.

10. Płynięcie, dryft: niepożądana zmiana dowolnego parametry wyjściowego np. napięcia, prądu. Płynięcie jest mierzone w określonym czasie, przy zachowaniu na stałym poziomie wszystkich wielkości zmiennych i nie dotyczy zmian zachodzących w czasie nagrzewania.

11. Prąd wejściowy I_i [A]: największa wartość prądu wejściowego pojawiająca się w najniekorzystniejszych ustalonych warunkach.

12. Regulacja: zmiana stabilizowanego napięcia wywołana zamianą jednego lub kilku parametrów roboczych.

13. Sprawność: w wyniku procesu regulacji następują straty energii, objawiające się wydzielanym ciepłemu na elementach układu regulacji.

14. Stabilność dynamiczna: dotyczy stanu nieustalonego między dwoma stanami ustalonymi. Dowolna zmiana na wejściu jak i obciążeniu powoduje wpierw zmianę stabilizowanego napięcia wyjściowego, która następnie zostaje wyrównana przez układ stabilizujący. Czas stabilizacji zależy od pojemności, zastosowanych podzespołów półprzewodnikowych i rodzaju stabilizatora.

15. Średni czas pracy bezawaryjnej, współczynnik niezawodności: średni czas między dwiema kolejnymi awariami obliczony na podstawie dostatecznie dużej ilości prób. W celu podwyższenia współczynnika niezawodności wszystkie podzespoły zasilacza powinny pracować w granicach parametrów nominalnych.

16. Tłumienie napięcia tętnień: w [%/V]: stosunek wartości międzyszczytowych napięcia tętnień na wyjściu do napięcia tętnień na wejściu.

17. Zabezpieczenia:

• ograniczenie prądu wyjściowego

• zabezpieczenie przed przepięciem napięcia wyjściowego

• zabezpieczenie przed przegrzaniem

• zabezpieczenie przed niskim napięciem wejściowym

• zabezpieczenie przed przepięciami wejściowymi

• zabezpieczenie przed wejściowym przeciążeniem prądowym

• ograniczenie udaru prądu włączeniowego

• zabezpieczenie przed napięciem zwrotnym

4. Zabezpieczenia nadprądowe:

• ograniczenie prądowe z ustawionym prądem granicznym

• ograniczenie stałoprądowe

• ograniczenie powrotne prądu

5. Zakres napięcia wyjściowego U_omin ÷ U_omax [V]: zakres regulowany napięcia wyjściowego, przy którym zasilacz stabilizowany spełnia postawione wymagania.

6. Zakres prądu obciążenia I_omin ÷ I_omax [A]: zakres regulowanego prądu wyjściowego, w którym są zachowane parametry zasilacza. Jeżeli brak takiego wymagania to zasilacz może pracować w stanie nieobciążonym, jednak w takich warunkach nie może dojść do uszkodzenia zasilacza.

5. Budowa i zasada działania stabilizatora impulsowego użytego w stanowisku pomiarowym.

W stanowisku tym zastosowano stabilizator impulsowy L 4960. Dzięki niemu udało się osiągnąć bardzo dobre parametry eksploatacyjne, ale o rym powie dalsza część.

Oto jego schemat przedstawiono na Rys. 15. Jeśli jednak chodzi o budowę wewnętrzną togo układu, to jest ona niezwykle przemyślana, co widać na Rys. 16.

Rys. 15. Schemat ideowy stabilizatora impulsowego.

W swoim wnętrzu zawiera wszystkie istotne dla poprawnej i pewnej pracy elementy. Są to m. in. układ łagodnego startu, oscylator taktujący, tranzystor wejściowy, końcówkę mocy, zabezpieczenie termiczne oraz regulator PWM starowany przez wzmacniacz błędu. Tak więc L 4960 nie wymaga stosowania zbyt wielu elementów zewnętrznych.

Parametry zasilacza zależą od dwóch elementów - dławika L₁ oraz diody impulsowej D₁. Na rysunku przedstawiono zależność pomiędzy sprawnością stabilizatora i prądem obciążenia. Podczas opracowywania tego wykresu w miejscu diody D zastosowano popularną diodę przełączającą BYW 80. Możliwe jest zastosowanie w jej miejscu bardzo szybkich diod Schottky'ego, co podniesie sprawność zasilacza do około 82 ÷ 85 %.

Elementy R₁, C₂ ustalają częstotliwość pracy generatora wzorcowego. Kondensator C₃ wraz rezystorem R₂ spełniają rolę układu kompensującego wzmacniacz błędu. Kondensator C₄ ustala szybkość startowania przetwornicy po włączeniu zasilacza. Kondensator ten zapewnia odpowiednio długi czas powolnego narastania szerokości impulsów na wyjściu układu, co zapobiega możliwości powstanie stanów nieustalonych na wyjściu zasilacza. Zadaniem diody D jest stworzenia drogi dla przepływu prądu zwrotnego, który jest indukowany przez energię nagromadzoną w rdzeniu dławika L₁. Im mniejsze opory będzie stawiała ta „droga” tym większa będzie wypadkowa sprawność zasilacza.

Rys. 16. Schemat wewnętrzny układu L 4960. 1) Komparator. 2) Komparator PWM. 3) Wzmacniacz błędu. 4) Komparator warunku startu. 5) Przerzutnik włączający. 6) Bezpiecznik termiczny. 7) Oscylator. 8) Stopień wejściowy. 9) 5,1 V napięcie odniesienia.

Ponieważ stabilizator pracuje impulsowo z częstotliwością rzędu dziesiątek, a nawet setek kHz, elementu filtru wyjściowego muszą mieć optymalnie dla tego zakresu częstotliwości dobrane parametry. Jak się okazało na wyjściu stabilizatora można zastosować kondensatory filtrujące o pojemności rzędu 150 ÷ 470 μF. W opracowaniu przez nas module zastosowano pojemność około 200 μF, którą rozdzielono na dwa kondensatory po 100 μF każdy.

Zastosowanie dwóch kondensatorów zamiast jednego o większej pojemności spowodowane jest bardzo złymi parametrami kondensatorów elektrolitycznych w zakresie większych częstotliwości, co obniża jakość filtrowania i sprawność zasilacza.

Rezystory R₃ i R₄ stanowią dzielnik sprzężenia zwrotnego, które ustala wartość napięcia wyjściowego. Napięcie to można najłatwiej regulować poprzez zmianę rezystancji R₃. Przy obliczeniach elementów dzielnika należy uwzględnić, ze wewnętrzne napięcie odniesienia wynosi 5,1 V.

Dioda LED D₂ sygnalizuje pracę stabilizatora, a rezystor R₅ ogranicza płynący przez nią prąd. Podana na schemacie wartość rezystancji R₅ pozwala na pracę diody w zakresie napięć wyjściowych 5 ÷ 15 V. W przypadku zwiększenia napięcia wyjściowego powyżej 15 V warto zwiększyć wartość rezystancji R₅, co zapobiegnie uszkodzeniu diody D₂. Nie jest ona umieszczana na płycie czołowej stanowiska.

Analizując ten układ należy pamiętać o parametrach modułu stabilizacyjnego:

• zakres napięcia wejściowego 8 ÷ 50 V

• zakres napięcia wyjściowego 4 ÷ 40 V

• maksymalny prąd obciążenia 2,5 A

• częstotliwość kluczowania 100 kHz

• temperatura zadziałania bezpiecznika termicznego 150 ­^oC

1. Wykaz elementów

Rezystory:

R₁ - 4,3 kΩ

R₂ - 15 kΩ

R₃ - dobierana w zależności od zadanego napięcia wyjściowego

R₄ - 4,7 kΩ

R₅ - 1,2 kΩ

Obciążenie:

5 Ω, 10 Ω, 15 Ω, 20 Ω, 40 Ω, 75 Ω, 100 Ω.

Kondensatory:

C₁ - 100 μF

C₂ - 2,2 nF

C₃ - 33 nF

C₄ - 4,7 μF/25V

C₅, C₆ - 100 μF/ 25 V

Półprzewodniki:

D₁ - szybka dioda przełączająca 3A, np. BYW 80, BYW 29

D₂ - LED

­US1 - L4960

Różne:

L₁ - 150 μH na rdzeniu toroidalnym RP 25 x 16 x 9,5 (materiał F-82) 40 zw DNE φ 1,2

• bezpieczniki

• wyłączniki

21

21

10

Badanie stabilizatora impulsowego.

11

Przygotowanie teoretyczne.

r₀ =
U_i = const.

STABILIZATORY NAPIĘCIA STAŁEGO

parametryczne elementarne układy stabilizacji bez sprzężenia zwrotnego, z WYKORZYSTANIEM dwójnikowych stabilizatorów napięcia

stabilizatory napięcia ze sprzężeniem zwrotnym

stabilizatory dyskretne

• z diodą Zennera

• z diodą stabistorową

• z wariodą

• z selenową diodą stabilizacyjną

• z diodą LED

DWÓJNIKI SCALONE

• z powielaniem lawinowym

• z wykorzystaniem zjawiska przebicia

STABILIZATORY NAPIĘCIA O PRACY CIĄGŁEJ KLASY „A”

szeregowe równoległe

STABILIZATORY IMPULSOWE KLASY D

szeregowe równoległe

STABILIZATORY NAPIĘCIA O TECHNICE GŁÓWNEJ KOMBINOWANEJ

STABILIZATORY IMPULSOWE I O PRACY CIĄGŁEJ JAKO CAŁOŚĆ

Klasyfikacja stabilizatorów napięcia stałego.

---