d	Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie					Imię i nazwisko: Jungiewicz Michał Łukasz Kaleta
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI
Wydział: EAIiE	Rok Akad.: 2006/2007		Rok studiów: II	Kierunek: Elektrotechnika			Grupa: IIa
Temat: Stabilizatory napięcia - symulacje
Data wykonania: 15.05.2007		Data zaliczenia:			Ocena:

1. WSTĘP

Niniejsze ćwiczenie ma na celu zapoznać nas z podstawowymi układami i parametrami stabilizatorów napięcia. W pierwszej kolejności poznajemy charakterystykę
prądowo-napięciową U=f(I) diody Zenera (napięcie Zenera 5.1V). W następnej kolejności badamy wybrane parametry podstawowego układa stabilizatora napięcia, zbudowanego
w oparciu o diodę Zenera. Następnym krokiem jest zaznajomienie się z bardziej rozbudowanym stabilizatorem napięcia typu LDO (ang. Low Drop Output) i jego parametrami.

2. PODSTAWOWY UKŁAD Z DIODĄ ZENERA

1. Charakterystyka prądowo-napięciowa I=f(U) diody Zenera

Poniżej zamieszczam schemat, dla którego przeprowadziliśmy doświadczenie

Po rozpoczęciu symulacji uzyskaliśmy szukaną charakterystykę prądowo- napięciową I=f(U) diody Zenera.

Uzyskana charakterystyka pozwala nam stwierdzić, że dioda zenera załączyła się dla napięcia ok. 5.2 [V].

Określona rezystancja dynamiczna diody wynosi
.

2. Charakterystyka wyjściowa U_wy=f(I_wy)

Kolejnym zadaniem było zaobserwowanie charakterystyki U_wy=f(I_wy) dla pliku symulacyjnego Zener_5.1

Oto układ dla którego przeprowadziliśmy symulację :

Po uruchomieniu symulacji uzyskaliśmy następujące zależności :

Analizując powyższą charakterystykę możemy stwierdzić, żę powyżej I_wy=20mA napięcie wyjściowe U_wy zaczyna maleć liniowo. Możemy powiedzieć o tym, że stabilizator znajduje się w zakresie niestabilizacji. Powodem jest spadek napięcia na rezystorze R₁ powyżej wartości U_we - U_Z, dioda w takiej sytuacji jest zatkana.

Poniżej zamieszczam wyznaczone wartości rezystancji dla obszaru stabilizacji oraz dla obszaru niestabilizacji :

Ważnym spostrzeżeniem jest to, że dla wyższych prądów dioda przestaje funkcjonować jako źródło odniesienia napięcia, co w efekcie powoduje zaistniały efekt(rezystancja wyjściowa dla większego prądu, jest równa R₁.

3. Charakterystyka przejściowa U_wy=f(U_we)
   

W tym ćwiczeniu naszym zadaniem było wyznaczenie charakterystyk przejściowych z pliku Zener_5_1 Su.

Po wykonaniu odpowiednich czynności uzyskaliśmy następującą charakterystykę U_wy=f(U_we) dla układu bez obciążenia oraz dla układu z obciążeniem.

Poniżej zamieszczam ch-kę U_wy=f(U_we) dla układu bez obciążęnia :

Na podstawie otrzymanych charakterystyk wyznaczyliśmy następujące wartości napięć wejścia i wyjścia :

U_wymax=5,09V U_wymin=5V U_wemin=5,1V U_wemax=10V.

Korzystając z tych wartości wyznaczyliśmy współczynnik stabilizacji napięcia

.

Charakterystyka z obciążeniem :

Z powyższej charakterystyki odczytaliśmy następujące wartości :

U_wymax=5,09V U_wymin=5V U_wemin=6,35V U_wemax=10V.

Po analizie obu charakterystyk możemy zauważyć, że dodatkowe obciążenie powoduje, że maksymalna wartość napięcia wyjściowego stabilizatora zostaje osiągnięta dla wyższego napięcia wejściowego, co jest powodem dołożenia obciążenia na wejście badanego układu.

Alternatywną metodą wyznaczenia powyższego współczynnika jest pomiar składowej zmiennej napięcia wyjściowego, przy zasilaniu wejścia napięciem stałym ze składową zmienną.

W tym celu otworzyliśmy zbiór symulacyjny Zener_5_1_Su_SIN.

Poniżej zamieszczam układ symulacyjny wykorzystany do ćwiczenia :

Wartość skuteczna składowej zmiennej napięcia wejściowego wynosi 1.06 [V].

Napięcia, które wyznaczyliśmy podczas laboratorium miały wartości :

Bez obc : U=10,627 mV

Z Obc : U=16.532 mV

Porównując ch-kę przejściową stabilizatora działającego z obciążeniem oraz bez obciążenia możemy zauważyć, że minimalny napięcie wejściowe stabilizacji dla stabilizatora z obciążeniem jest większe. Natomiast dla układu bez obciążenia napięcie to jest mniejsze. Różnica ta jest spowodowana prądem wymuszanym przez obciążenie. Stąd również wynika spadek współczynnika S_U.

Porównując współczynniki stabilizacji dla metody alternatywnej oraz metody, z której skorzystaliśmy przy ch-ce przejściowej różnią się.

Wynikiem tego jest pojemność diody dla układu alternatywnego(wartości współczynników są dużo wyższe).

4. Skokowa zmiana obciążenia

Powyżej zamieszczam schemat Zener_5_1_Dyn_Obc. Naszym zadaniem było zaobserwowanie jak zachowuje się napięcie wyjściowe stabilizatora przy skokowej zmianie obciążenia. Poniżej zamieszczam uzyskane charakterystyki :

Jak widać na powyższej charakterystyce, napięcie wyjściowe w początkowym

Na powyższym przebiegu widzimy, że dla większego obciążenia napięcie wyjściowe spada do minimum(zero), natomiast gdy odlączamy dodatkowe obciążenie napięcie wyjściowe wzrasta do maksimum. Na ch-ce możemy zauważyć że w początkowej fazie napięcia wyjściowego zachodzi pewna nieregularność. Jest Ona spowodowana przez obciążenie układu, oraz przez skończony czas reakcji stabilizatora na zmianę warunków układu.

5. Skokowa zmiana napięcia wejściowego

Naszym zadaniem było zaobserwowanie zachowania się napięcia wyjściowego stabilizatora przy skokowej zmianie napięcia wejściowego. Przeszliśmy przez to zagadnienie zgodnie z zaleceniami podanymi w instrukcji. Poniżej zamieszczam zaobserwowane ch-ki oraz układ, z którego skorzystaliśmy podczas symulacji.

Układ potrzebny do symulacji :

Charakterystyka z obciążeniem :

Charakterystyka bez obciążenia :

Amplituda skoku wartości napięcia wejściowego wynosiła 1.5V.

Po analizie obu charakterystyki doszliśmy do wniosku, że przy maksymalnej wartości napięcia wejściowego na wyjściu na wyjściu również pojawia się napięcie maksymalne.

Możemy również zauważyć wachania napięcia wyjściowego, co jest spowodowane obciążeniem układu, oraz skończonym czasem reakcji układu na zachodzące w nim zmiany.

3. STABILIZATOR LDO

1. Charakterystyka wyjściowa U_wy=f(I_wy)

Przechodząc do badania ch-k dla Stabilizatora LDO rozpoczęliśmy Nasze symulacje od zbadania ch-ki wyjściowej U_wy=f(I_wy)

Poniżej zamieszczam układ niezbędny do symulacji.

Wykonaliśmy symulacje dla tego układu, uzyskując w ten sposób poszukiwaną ch-ke U_wy=f(I_wy)

Na oscyloskopie pojawiła się charakterystyka wyjściowa U_wy=f(I_wy), przedstawiająca zależność napięcia wyjściowego do wartości prądu obciążenia badanego stabilizatora (napięcie wyjściowe 10.2V). Możemy również zauważyć że stabilizacja przebiega dla prądó mniejszych od 480[mA]. Po przekroczeniu tej wartośc następuje koniec stabilizacji.

1. . Charakterystyka przejściowa U_wy=f(U_we)

Po wykonaniu czynności zaleconych w instrukcji, otworzyliśmy układ LDO_Uwy_we, po czym uruchomiliśmy jego symulację.

Schemat LDO_Uwy_Uwe

Poniżej zamieszczam wyskalowane charakterystyki z obciążeniem i bez obciążenia.

Po analizie powyższych ch-yk, możemy stwierdzić że dla układu z obciążeniem dla U_we=0,5V następuje załączenie działania stabilizatora.

Po wnikliwej obserwacji ch-ki z obciążeniem oraz bez, widzimy, że stabilizacja zachodzi dla takiego samego napięcia wejściowego.

2. Skokowa zmiana obciążenia

W tym ćwiczeniu mieliśmy zaznajomić się z zachowaniem układu pod wpływem zmiany obciążenia.

Poniżej zamieszczam otrzymaną charakterystykę

Możemy zaobserwować, że napięcie wyjściowe w momentach przełączania na wykresie napięcia wyjściowego pojawiają się gasnące oscylacje o niewielkiej amplitudzie(ok. 100 mV). Jest to skutek działania wzmacniacza błędu, którego zadaniem jest utrzymywanie stałego poziomu napięcia wyjściowego z jak największą dokładnością.

Układ bardzo dobrze się sprawdza, gdyż przełączenie powoduje bardzo małe wahania napięcia wyjściowego i bardzo szybkie jego ustalenie się do wartości nominalnej.

3. Skokowa zmiana napięcia wejściowego

Schemat użyty do ćwiczenia zamieszczam poniżej :

Amplituda skoku wartości napięcia wejściowego wynosi 1.5V.

Poniżej zamieszczam otrzymane charakterystyki

Gdy dla układu użyjemy dodatkowego obciążenia, możemy zaobserwowac, że dla maksymalnego napięcia na wejściu następuje znaczny skok napięcia na wyjściu, po czym poprzez tłumienie oscyluje Ono do zera, i zjawisko się powtarza. Dla zmiany napięcia na niskie również następuje skok napięcia wyjściowego, jednakże jest on bardziej ograniczony

W układzie bez obciążenia widoczne są skoki napięcia wyjściowego w momencie pojawienia się wysokiego napięcia na wejściu. Następnie napięcie wyjściowe spada, bez względu na wartość napięcia wejściowego. Początkowe zaburzenie przebiegu jest spowodowane skończonym czasem reakcji stabilizatora na zmianę stanu układu.

4. Regulacja napięcia wyjściowego

Do tego, ostatniego już doświadczenia został użyty plik symulacyjny o nazwie LDO_Reg_Nap.

Podczas ćwiczenia spisywaliśmy wartość wartość napięcia wyjściowego zmieniając przy tym wartość rezystancji R₂.

Poniżej zamieszczam wartośći jakie wyznaczyliśmy na podstawie symulacji :

R2	Uwy	R2	Uwy
0	14,828	2,75	9,955
0,25	12,382	3	9,763
0,5	12,087	3,25	9,579
0,75	11,806	3,5	9,401
1	11,538	3,75	9,23
1,25	11,282	4	9,066
1,5	11,037	4,25	8,907
1,75	10,802	4,5	8,753
2	10,577	4,75	8,605
2,25	10,361	5	14,828
2,5	10,154

Na podstawie tych wartości wyznaczyliśmy ch-kę U_wy =f(R₂₎

Analizując powyższy wykres możemy stwierdzić, że wraz ze wzrostem wartości R_2, napięcie wyjściowe zmienia się proporcjonalnie. Widzimy, że jest to metoda na regulację napięcia stabilizacji poprzez zmianę rezystancji w dzielnika napięcia.

WNIOSKI :

Mieliśmy okazję zbadać zachowanie się stabilizatora z diodą Zenera, oraz LDO przy różnych zadawanych przez Nas nastawom i podawanemu napięciu.

Dla stabilizatorów z diodą Zenera uzywaliśmy diod krzemowych, ze względu na ich większą stabilność, oraz odporność na przebicia.

Na podstawie Naszych pomiarów stwierdzamy, że układ z Diodą Zenera stabilizował napięcie wyjściowe jedynie do pewnej wartość napięcia wejściowego, gdyż dla innych wartości napięcia wejściowego gwałtownie rosła rezystancja diody.

Analizując ch-ki przejściowe, w których zmienialiśmy szybko układ stabilizacji załączając i odłączając dodatkową rezystancję możemy zauważyć, że układ nie radził sobie dobrze ze stabilizowaniem napięcia dla szybkich zmian obciążenia tudzież rezystancji wyjściowej. Widać również na uzyskanych ch-kach, że dla układów z obciążeniem stabilizacja zaczynała się dla wyższych napięć wejściowych.

Badając w dalszej części doświadczenia stabilizator LDO zauważyliśmy, że podstawowymi elementami budulcowymi był układ pomiarowy(dzielnik napięcia), wzmacniacz błędu(WO), układ regulacyjny(tranzystor mocy) oraz źródło napięcia odniesienia(dioda Zenera)

Porównując obie metody stabilizacji, łatwo stwierdzić, że układ LDO, ma znacznie lepiej spełnia swoją funkcję. Stabilizacja nie zależy od obciążenia układu, co możemy zaobserwować na ch-kach przejściowych, oraz mamy do tego możliwość regulacji napięcia wyjściowego, czego nie możemy zrobić dla układu z diodą Zenera. Jakość stabilizacji również jest dużo lepsza dla układu LDO, gdyż praktycznie nie zauważamy wpływu obciążenia na nią.

---