STABILIZATORY NAPIĘCIA O PRACY CIĄGŁEJ1 1. Cel ćwiczenia 2

Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
STABILIZATORY NAPIĘCIA O PRACY CIĄGŁEJ1
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z działaniem podstawowych rodzajów stabilizatorów
napięcia stałego o pracy ciągłej oraz porównanie ich właściwości. W ramach ćwiczenia jest
badany najprostszy (tzw. parametryczny) stabilizator z diodą Zenera, stabilizator
z „programowaną diodą Zenera” (układem TL431), stabilizatory z wtórnikiem emiterowym
oraz stabilizatory ze wzmacniaczem błędu i z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego.
Zadaniem wykonującego ćwiczenie jest zaprojektowanie wymienionych stabilizatorów,
a następnie zbadanie ich właściwości w laboratorium. Ćwiczenie powinno uświadomić
osobie je wykonującej, kiedy i dlaczego warto stosować układy bardziej rozbudowane,
a kiedy wystarczy realizacja najprostsza.
2. Projekt
Z poniższej tabeli wybierz właściwy (zgodny z numerem zespołu) zestaw parametrów
projektowych:
- napięcie nominalne diody Zenera UZ,
- zakres napięć wejściowych (tętnienia): od UWEMIN do UWEMAX,
- maksymalny prąd obciążenia IOMAX,
Wykonaj projekty stabilizatorów, posługując się podanymi dalej wskazówkami.
Uwaga: w materiałach do przedmiotu (w katalogu „opisy_modulow”) znajduje się plik ze
schematem ideowym modułu DSD. Zostały na nim zaznaczone kolorem elementy
dydaktyczne, które są wymienne i montowane w zaciskach śrubowych. Z tego schematu
można skorzystać podczas projektowania stabilizatorów, należy go też posiadać podczas
wykonywania ćwiczenia.
zestaw
UZ [V]
IOMAX [mA]
UWEMIN [V]
UWEMAX [V]
1
2
3
4
5
6
7
8
3,3
24
7
9,5
5,1
30
9,5
12,5
3,9
28
8
11
4,7
26
8,5
10,5
5,6
20
8,5
10,5
6,8
18
9,5
12
7,5
15
9,5
12
8,2
10
10
12,5
Ćwiczenie 5 - instrukcja, semestr letni 2016
2.1. Stabilizator z diodą Zenera
Narysuj schemat prostego, parametrycznego stabilizatora z diodą Zenera i opornikiem.
Załóż, że dopuszczalna moc, jaką można wydzielić w diodzie Zenera, to 400 mW. Przy tym
założeniu określ przedział rezystancji, dla której stabilizator może dostarczyć do obciążenia
założony prąd IOMAX dla całego podanego w tabeli zakresu napięć wejściowych.
Z obliczonego przedziału wybierz taką rezystancję, przy której stabilizator będzie miał jak
najlepszy współczynnik stabilizacji.
Zaproponuj rezystancję opornika R4, wybraną z szeregu E12, który należy wmontować
do modułu DSD.
Uwaga: w module jest na stałe zamontowany „opornik ochronny” o rezystancji 100 Ω,
a opornik R4 będzie włączony z nim w szereg.
2.2. Stabilizator z układem scalonym TL431
Posługując się danymi katalogowymi układu TL431 (są dostępne w materiałach do
przedmiotu, możesz je też odszukać w internecie) narysuj schemat prostego stabilizatora
wykorzystującego ten układ scalony oraz poprzednio użyty opornik R4, wraz z szeregowym
opornikiem o rezystancji 100 Ω. „Zaprogramuj” układ tak, aby był odpowiednikiem diody
Zenera użytej w p. 2.1. W tym celu wyznacz wymaganą rezystancję opornika R5, który
trzeba włączyć pomiędzy katodę (K) i środkowe wyprowadzenie (REF) układu TL431.
Wybierz opornik z szeregu E12 i oblicz przewidywane napięcie wyjściowe dla tego
opornika. Podczas wykonywania obliczeń załóż, że pomiędzy anodę (A) i środkowe
wyprowadzenie (REF) układu TL431 jest włączony dokładny opornik R6, o rezystancji
10 kΩ.
Zastanów się, czy tak zaprojektowana „dioda Zenera” może być traktowana jak
odpowiednik prawdziwej diody Zenera, użytej poprzednio (na przykład oceń, czy z tego
stabilizatora będzie można pobrać co najmniej taki prąd, jaki da się pobrać z układu z diodą
Zenera).
2.3. Stabilizator z wtórnikiem emiterowym
1. Jakim zmianom ulegną właściwości stabilizatorów zaprojektowanych w poprzednim
zadaniu, jeśli do ich wyjścia zostanie dołączony wtórnik emiterowy? Skorzystaj z danych
katalogowych tranzystora BD241C (nota katalogowa znajduje się w materiałach do
przedmiotu), który zostanie użyty do zbudowania wtórnika, a następnie oblicz wartości
następujących parametrów stabilizatorów z p. 2.1 i 2.2, po dołączeniu do nich wtórnika
emiterowego:
- napięcia wyjściowego,
- zakresu dysponowanych prądów wyjściowych.
Narysuj schematy ideowe obu projektowanych tutaj stabilizatorów.
) Autor instrukcji: mgr inż. Maciej Radtke, [email protected]
1
1
Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
2. Załóż, że stabilizator z wtórnikiem ma dostarczać do obciążenia tylko taki prąd, jaki
jest określony w tabeli z zadanymi wymaganiami projektowymi. Czy w tej sytuacji należy
pozostawić układ bez zmian, czy może warto byłoby coś w nim zmodyfikować? Jeśli
dokonanie zmian uznasz za uzasadnione, opisz je w części projektowej protokołu.
2.3. Stabilizator z ujemnym sprzężeniem zwrotnym
W tej części ćwiczenia zapoznasz się z właściwościami stabilizatora, w którym w celu
poprawy niektórych parametrów zastosowano pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego.
Zaprojektowane w p. 2.1 i 2.2 stabilizatory parametryczne zostaną użyte jako źródła
napięcia odniesienia, natomiast pętlą sprzężenia zwrotnego zostanie objęty stabilizator
z wtórnikiem emiterowym. Jako wzmacniacz błędu zostanie użyty typowy wzmacniacz
operacyjny o bardzo dużym wzmocnieniu w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.
Sprzężenie zwrotne w stabilizatorze będzie „pełne”, a więc cały sygnał z wyjścia
stabilizatora będzie podawany bezpośrednio na wejście odwracające wzmacniacza błędu.
1. Narysuj przewidywany schemat ideowy takiego stabilizatora. Jako źródło napięcia
odniesienia będzie użyta dioda Zenera albo stabilizator z układem TL431.
2. Jakie napięcia przewidujesz na wyjściu tego stabilizatora dla obu wartości napięć
referencyjnych? Zanotuj te napięcia w protokole.
3. Sprzężenie zwrotne nie jest receptą na wszystkie problemy. Zastanów się więc, co
zastosowanie pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego zdecydowanie poprawia, a czego nie
poprawia, a nawet może pogorszyć?
3. Pomiary (do wykonania w laboratorium)
Ćwiczenie 5 - instrukcja, semestr letni 2016
Zadanie 1 - stabilizator z diodą Zenera (2 p)
Do modułu DSD wmontuj, obliczony w p. 2.1 projektu, opornik R4 oraz właściwą diodę
Zenera DZ1.
Uwaga: oznakowana ścięciem płytki katoda diody powinna być umieszczona od strony
złącza krawędziowego modułu DSD.
Przełącznik SW1 (REF) na płytce modułu DSD ustaw w pozycji „DZ”, przełącznik SW3
(Uref) w poz. „ST”, położenie przełącznika SW2 (REF/WB) jest na razie obojętne. Złącze
krawędziowe modułu DSD połącz, przy pomocy przewodu zasilającego, z wyjściem DB15
modułu SZT. Do wyjścia stabilizatora (wyjście „Uref” modułu DSD) dołącz właściwe
wejście regulowanego obciążenia SOP. Połącz cały układ pomiarowy tak, aby dało się –
przy pomocy przełącznika SD4 zamontowanego w górnej części kasety laboratoryjnej –
mierzyć na przemian napięcie wyjściowe stabilizatora oraz prąd, jakim ten stabilizator jest
obciążany.
1. Włącz zasilanie. Ustaw w module SZT założone minimalne napięcie wejściowe
UWEMIN badanego stabilizatora, a w module SOP prąd obciążenia 0 mA. Odczytaj napięcie
wyjściowe stabilizatora i dokonaj wstępnej oceny, czy stabilizator pracuje poprawnie. Jeśli
uznasz, że układ działa nieprawidłowo, poproś o pomoc prowadzącego.
Zwiększaj prąd obciążenia stabilizatora i wykreśl jego charakterystykę wyjściową od
zera aż do prądu obciążenia wyraźnie większego od założonego w projekcie I OMAX. Na
podstawie tej charakterystyki oceń, czy układ działa prawidłowo. Jeśli nie, odszukaj
przyczynę i w razie potrzeby popraw projekt.
Na podstawie posiadanych wyników pomiarów wyznacz rezystancję wyjściową badanego
układu. Czy możesz teraz coś powiedzieć o parametrach użytej diody Zenera?
2. Zmierz współczynnik stabilizacji przy maksymalnych
wejściowego oraz braku obciążenia stabilizatora2. W tym celu:
WAŻNE UWAGI:
1. Zmiany napięcia wyjściowego niektórych badanych stabilizatorów są niewielkie, co
sprawia, że pomiary w tym ćwiczeniu muszą być wykonywane z dużą dokładnością. Zwracaj
więc zawsze uwagę na precyzyjne odczytywanie wskazań woltomierza.
2. Podczas pomiarów, przy obciążeniu stabilizatora prądem I O, niektóre jego elementy
mogą się nagrzewać. Zastanów się, w których stabilizatorach takie efekty termiczne mogą
mieć wpływ na otrzymywane wyniki pomiarów.
3. Jeśli pomiary będą wykonywane w sposób nieprzemyślany, możesz wykonać bardzo dużo
niepotrzebnych pomiarów i nie wykonać całego ćwiczenia. Koniecznie zastanów się nad
przewidywanymi kształtami charakterystyk wyjściowych poszczególnych stabilizatorów
i dobierz liczbę punktów pomiarowych tak, aby otrzymać możliwie dokładne rysunki przy
możliwie najmniejszym nakładzie pracy.
napięcia
- zwiększ napięcie na wyjściu modułu SZT do UWEMAX,
- ustal prąd obciążenia w module SOP na IO = 0 mA (można po prostu odłączyć przewód),
- włącz „tętnienia” na wyjściu modułu SZT i ustaw ich częstotliwość na 400 Hz. Przy
pomocy oscyloskopu ustal amplitudę tętnień taką, aby chwilowa najmniejsza wartość
napięcia sięgała UWEMIN.
Zaobserwuj, przy pomocy sondy oscyloskopowej (najlepiej w drugim kanale oscyloskopu),
amplitudę „tętnień” na wyjściu stabilizatora z diodą Zenera. Tych obserwacji możesz
dokonać na dolnym, bliższym środka płytki, zacisku opornika R4.
2
Współczynnik stabilizacji można wyznaczać przy różnych prądach obciążenia, ale dla
ułatwienia porównań w tym ćwiczeniu przyjęto I0 = 0 mA.
2
wahaniach
Instytut Systemów Elektronicznych - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych
Na podstawie dokonanych pomiarów oszacuj współczynnik stabilizacji badanego układu
i oceń, czy otrzymane wyniki są spójne z parametrami diody Zenera, wyznaczonymi
w pierwszej części niniejszego zadania.
Zadanie 2 - stabilizator z układem TL431 (1 p)
Do modułu DSD wmontuj opornik R5. Przełącz przełącznik SW1 w pozycję „TL”.
Sprawdź, czy zmontowany układ działa poprawnie (zmierz jego napięcie wyjściowe
i porównaj je z projektem), a następnie powtórz wszystkie pomiary z poprzedniego zadania.
Porównaj oba zbadane układy, wskaż ich wady i zalety.
Zadanie 3 – stabilizatory z wtórnikiem emiterowym (2 p)
Aby do badanych wcześniej układów dołączyć wtórnik emiterowy, wystarczy przełączyć
przełącznik SW2 (REF/WB) w pozycję „REF”. Teraz napięcie wyjściowe z prostego układu
stabilizatora parametrycznego trafia wprost na bazę tranzystora Q1. Emiter tranzystora jest
połączony z wyjściem Uwy modułu poprzez opornik R3, który może posłużyć do realizacji
prostego zabezpieczenia nadprądowego. W tej części ćwiczenia w miejsce opornika R3
należy zamontować zworę.
Dokonaj pomiarów podobnych do tych, jakie były wykonywane w poprzednich
zadaniach: wyznacz charakterystykę wyjściową stabilizatora z wtórnikiem emiterowym
oraz oszacuj jego współczynnik stabilizacji.
Podsumuj uzyskane wyniki i oceń, kiedy ma sens dołączanie wtórnika emiterowego
do prostego stabilizatora parametrycznego. Co można w ten sposób zyskać, a co się nie
zmienia lub może nawet ulec pogorszeniu?
Ćwiczenie 5 - instrukcja, semestr letni 2016
1. Korzystając z doświadczeń zdobytych w poprzednich zadaniach wyznacz rezystancję
wyjściową tego stabilizatora. Jak myślisz: czy będzie ona zależała od warunków pracy
źródła napięcia referencyjnego (czyli od rezystancji opornika szeregowego, zastosowanego
do zasilania diody Zenera albo układu TL431)? Uzasadnij odpowiedź, ewentualnie wykonaj
odpowiednie eksperymenty.
2. Wyznacz wartość współczynnika stabilizacji. Zestaw uzyskane wyniki z wynikami
uzyskanymi w poprzednich zadaniach i je skomentuj. Czy zastosowanie sprzężenia
zwrotnego miało wpływ na współczynnik stabilizacji?
3. Zmierz drop-out stabilizatora ze sprzężeniem zwrotnym, w którym rolę wzmacniacza
błędu pełni popularny wzmacniacz operacyjny. W tym celu ustaw na wejściu stabilizatora
napięcie UWEMAX i zwiększaj amplitudę „tętnień” aż do chwili, kiedy stwierdzisz
niewłaściwe działanie układu. Wyłącz sprzężenie zwrotne (przełącz przełącznik SW2
w pozycję ”REF” i powtórz pomiar. Jakie wnioski można wysnuć z tej obserwacji?
Zadanie dodatkowe (+1,5 p)
Uwaga: zadanie dodatkowe może być wykonane dopiero po wykonaniu całej podstawowej
części ćwiczenia!
Skorzystaj z rozważań z projektu i – jeśli według Ciebie jest to możliwe – popraw
właściwości stabilizatorów z zad. 3 i 4 w sytuacji, kiedy potrzebujesz prądu tylko
w zakresie od 0 do założonej wartości IOMAX. Ponownie wyznacz podstawowe parametry
stabilizatorów (ich rezystancje wyjściowe i współczynniki stabilizacji) i oceń, czy Twoje
przewidywania z projektu były słuszne.
Dokonaj syntetycznego podsumowania wyników uzyskanych w tej części ćwiczenia.
Zadanie 4 - stabilizator z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (2 p.)
Jako że w ćwiczeniu jest badany stabilizator z pełnym sprzężeniem zwrotnym, do jego
uruchomienia wystarczy wmontować zworę w miejsce opornika R1 oraz przełączyć
przełącznik SW2 (REF/WB) w pozycję „WB” („Wzmacniacz Błędu”). Do bazy tranzystora
Q1 zostaje wtedy dołączone wyjście wzmacniacza błędu, który mieści się na dodatkowej
płytce wmontowanej do modułu.
Uwaga: przed przystąpieniem do pomiarów sprawdź, czy przełącznik WO1/WO2 na tej
płytce jest w pozycji „WO1”
Przełącznik SW1 (DZ/TL) umożliwia teraz wybór napięcia referencyjnego dla
wzmacniacza błędu, które może pochodzić ze stabilizatora diodą Zenera albo z układu
TL431. Wyboru dokonuje się ponownie przełącznikiem SW1 (REF).
3
4. Literatura
1. Baranowski J., Czajkowski G.: Układy elektroniczne cz. II. Układy analogowe
nieliniowe i impulsowe. WNT, Warszawa, 1998, Rozdz. 2
2. Materiały pomocnicze do ćwiczenia
3. Noty katalogowe układu TL431 i tranzystora BD241
4. Opisy modułów laboratoryjnych SOP i SZT