Instrukcja nr 6 - PB Wydział Elektryczny

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu
ELEKTRONIKA 2
Kod: ES1C400 026
TRÓJKOŃCÓWKOWE STABILIZATORY NAPIĘCIA
Opracował
dr hab. inż. Jakub Dawidziuk, prof. PB
BIAŁYSTOK 2017
Program szczegółowy laboratorium
1.
Wprowadzenie – przepisy BHP, regulamin laboratorium, zapoznanie studentów ze
stanowiskami laboratoryjnymi i aparaturą pomiarową. (2 godz.)
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Badanie diod i tranzystorów. (2 godz.)
Optoizolacja cyfrowa. (2 godz.)
Układ różnicowy. (2 godz.)
Tranzystory jako układy dwustanowe. (2 godz.)
Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach liniowych. (2 godz.)
Trójkońcówkowe stabilizatory napięcia. (2 godz.)
Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach nieliniowych. (2 godz.)
Stabilizator impulsowy. (2 godz.)
Podstawowe bramki logiczne. (2 godz.)
Układy formowania impulsów. (2 godz.)
Przetworniki cyfrowo – analogowe i analogowo – cyfrowe. (2 godz.)
Układy uzależnień czasowych. (2 godz.)
Zastosowania wybranych układów scalonych. (2 godz. )
Zaliczenie. Odrabianie zaległości. (2 godz.)
Literatura podstawowa
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe. WNT, 2009.
Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki, cz. I i II. WKiŁ, 2006.
Stepowicz W., Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk1999.
Filipkowski A. Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, 2007.
Nosal Z., Baranowski J. Układy elektroniczne cz.I - Układy analogowe liniowe. WNT, 2003.
Antoszkiewicz K., Z.Nosal Z., Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych. WNT, 1998.
Górecki P., Wzmacniacze operacyjne. Wydaw. BTC, 2002.
Platt Ch., Elektronika. Od praktyki do teorii (ebook). 2012.
Barlik R., Nowak M., Energoelektronika. Elementy, podzespoły, układy. WPW, Warszawa,
2014.
Literatura specjalistyczna oraz piśmiennictwo pomocnicze podane są w instrukcjach do ćwiczeń laboratoryjnych.
2
Wydział Elektryczny
INSTRUKCJA STANOWISKOWA BHP
Katedra Automatyki i Elektroniki
dotyczy zasad użytkowania stanowiska do ćwiczeń laboratoryjnych
z zakresu elektroniki.
Dotyczy zasad użytkowania następujących urządzeń:
Lp.
1.
2.
3.
Nazwa urządzenia
Oscyloskop cyfrowy Tektronix
Generator funkcyjny
Zasilacz stabilizowany
Oznaczenie
Aby uniknąć obrażeń, porażenia prądem elektrycznym lub uszkodzenia użytkowanych urządzeń, zaleca się uważne
przeczytanie i przestrzeganie poniższych uwag eksploatacyjnych z zakresu bezpieczeństwa pracy.


Użytkowanie urządzenia lub stanowiska powinno być zgodne z jego instrukcją obsługi oraz
odrębnymi instrukcjami obsługi elementów składowych, jeżeli takie występują.
Wszelkie czynności serwisowe (naprawy, regulacje, wymiany bezpieczników, itp.) powinny
być wykonywane jedynie przez odpowiednio wykwalifikowane osoby.
Przed przystąpieniem do pracy na stanowisku należy:






Zapoznać się z instrukcją obsługi wykorzystywanych urządzeń.
Zapewnić poprawne uziemienie przyrządu, poprzez połączenie przewodu ochronnego kabla
sieciowego do sprawnego gniazdka sieciowego z kołkiem uziemiającym.
Używać właściwego kabla sieciowego zaprojektowanego dla danego urządzenia,
spełniającego odpowiednie normy krajowe.
Przed wykonaniem jakichkolwiek połączeń wyjść i wejść urządzenia należy upewnić się, czy
urządzenie jest prawidłowo uziemione.
Zapewnić wymagane chłodzenie przyrządu poprzez prawidłowy obieg powietrza
chłodzącego przyrząd.
Aby uniknąć ryzyka pożaru lub porażenia prądem, należy zwracać uwagę na wszelkie
ostrzeżenia na obudowie przyrządu oraz nie przekraczać podanych w instrukcji i na
obudowie maksymalnych dopuszczalnych wartości napięcia i prądu w gniazdach urządzenia.
Podczas pracy na stanowisku laboratoryjnym należy:







Zachować ład i porządek. Przyrządy powinny być tak ustawione, aby nie mogły spaść.
Wykonywać połączenia tak, aby nie zagrażały użytkownikom stanowiska.
Połączenia wykonywać możliwie najkrótszymi przewodami, unikać połączeń przewodami
zwisającymi.
Nie należy podłączać lub odłączać sond lub przewodów pomiarowych, gdy one lub punkt
podłączenia są pod napięciem.
Nie pracować ze zdjętymi elementami obudowy lub zdemontowanymi panelami.
Nie dotykać metalowych elementów obwodu (gniazd, styków, podzespołów, nieizolowanych
przewodów mogących znaleźć się pod napięciem, itp.), gdy włączone jest zasilanie
urządzenia.
Jeżeli zachodzi podejrzenie uszkodzenia urządzenia lub jego nieprawidłowej pracy, należy
wyłączyć zasilanie i fakt ten zgłosić osobie prowadzącej zajęcia. Przed przystąpieniem do
3


dalszej pracy urządzenie takie powinno być sprawdzone przez odpowiednio
wykwalifikowaną osobę.
Nie używać przyrządu w miejscach o dużej wilgotności, w atmosferze zawierającej gazy
wybuchowe i agresywne korozyjnie.
Dbać, aby powierzchnia przyrządu była zawsze czysta i sucha.
Po skończeniu pracy na stanowisku należy:


Wyłączyć urządzenia zasilane energią elektryczną.
Uporządkować stanowisko.
Czynności zabronione:



Używanie urządzeń niezgodnie z ich przeznaczeniem i instrukcją obsługi.
Łączenie elektrycznych obwodów pomiarowych znajdujących się pod napięciem.
Samowolne otwieranie obudów i naprawianie urządzeń zasilanych energią elektryczną.
Pierwsza pomoc:



W przypadku porażenia prądem elektrycznym należy uwolnić osobę porażoną spod działania
prądu elektrycznego przez natychmiastowe wyłączenie napięcia za pomocą przycisku
bezpieczeństwa na tablicy zasilającej.
Udzielić pomocy przedlekarskiej osobom poszkodowanym.
Przy nieszczęśliwych wypadkach należy bezzwłocznie wezwać Pogotowie Ratunkowe (tel.
999, kom. 112).
W przypadku pożaru:


Odłączyć zasilanie urządzeń, rozpocząć ewakuację ludzi z zagrożonego obszaru.
Gasić urządzenia dostępnymi środkami ochrony p.poż., a w koniecznym przypadku wezwać
Straż Pożarną (tel. 998, kom. 112).
Instrukcja przygotowana na podstawie dokumentacji technicznych ww. urządzeń.
4
TRÓJKOŃCÓWKOWE STABILIZATORY NAPIĘCIA
1. Wstęp
Tematem ćwiczenia są podstawowe właściwości ciągłych stabilizatorów napięcia, a także aplikacje
wybranych, specjalizowanych układów scalonych. W tym przypadku, w odróżnieniu od układów
dyskretnych, zasadniczy ciężar pracy projektowej spoczywa na konstruktorach układu scalonego.
Zadanie użytkownika sprowadza się na ogół do umiejętnego i całościowego wykorzystania danych
zawartych w katalogu.
2. Wprowadzenie
Stabilizator napięcia jest elementem półprzewodnikowym służącym do zasilania napięciem stałym
układu elektronicznego lub innego obciążenia. Napięcie wyjściowe stabilizatora jest regulowane
przez obwody wewnętrzne stabilizatora w taki sposób, aby było względnie niezależne od prądu
obciążenia, napięcia zasilającego (wejściowego) i temperatury otoczenia. Stabilizator napięcia może
być częścią większego układu elektronicznego, ale często jest oddzielnym modułem, wykonanym
zwykle jako układ scalony.
Podstawowy schemat blokowy stabilizatora napięcia w jego najprostszej postaci jest
przedstawiony na rys.1. Składa się on z trzech podstawowych części:
1. źródła napięcia odniesienia, wytwarzającego napięcie odniesienia niezależnie od
temperatury i napięcia zasilającego;
2. wzmacniacza porównującego napięcie odniesienia z częścią napięcia wyjściowego
stabilizatora doprowadzonego do wejścia odwracającego wzmacniacza jako sygnał
zwrotny;
3. tranzystora lub zespołu tranzystorów stanowiących szeregowy element regulacyjny
(najczęściej układ Darlingtona), zapewniający odpowiedni poziom prądu wyjściowego,
płynącego przez obciążenie.
Rys. 1. Schemat blokowy stabilizatora napięcia (tranzystor mocy jest układem Darlingtona)
Połączenie wzmacniacza różnicowego (często zwanego wzmacniaczem błędu lub
wzmacniaczem porównującym) i szeregowego elementu regulacyjnego, razem z rezystancyjnym
dzielnikiem napięcia wyjściowego, tworzy wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym.
5
Ponieważ wartości prądów wpływających do wejść wzmacniacza błędu są bardzo małe, to
ten sam prąd o wartości Uo /(R1+R2) płynie przez rezystory R1 i R2 . Ze względu na duże
wzmocnienie wzmacniacza różnicowego, zmiana różnicy napięć między jego końcówkami
wejściowymi o ułamek miliwolta powoduje pełną zmianę napięcia wyjściowego, w zakresie
możliwych zmian tego napięcia. Dzięki działaniu sprzężenia zwrotnego napięcie na wejściu „-”
będzie różnić się od napięcia odniesienia UREF zaledwie o kilka mikrowoltów.
W układzie podstawowym z rys. 1 wzmacniacz z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego
działa w taki sposób, aby utrzymać część napięcia wyjściowego przyłożoną do wejścia
odwracającego wzmacniacza równą
napięciu odniesienia przyłożonemu do wejścia
nieodwracającego. Napięcie odniesienia (reference voltage) jest zatem równe
U REF  U o
R2
,
R1  R2
(1a)
U o  U REF

R1  R2
R 
 U REF  1  1  .
R2
R2 

(1b)
stąd napięcie wyjściowe
Nie wnikając w możliwości praktyczne układów, regulacja napięcia wyjściowego stabilizatorów
może zachodzić przy zmianie rezystancji dzielnika R1 i R2 oraz napięcia odniesienia UREF.
3. Podstawowe parametry stabilizatorów napięcia
Idealny stabilizator napięcia jest podobny do idealnego źródła napięciowego, gdyż jego napięcie
wyjściowe jest całkowicie niezależne od zmian prądu obciążenia lub, co jest równoważne, od
impedancji obciążenia. W rzeczywistym stabilizatorze, podobnie jak w rzeczywistym źródle
napięciowym, występuje pewna zależność napięcia wyjściowego od obciążenia, czyli od prądu
wyjściowego.
Poniżej podano definicje najważniejszych parametrów, chociaż w zależności od producenta,
mogą występować pewne różnice przy ich określaniu.
Znamionowe napięcie wyjściowe (output voltage rated) jest to napięcie, na jakie stabilizator został
zaprojektowany. Stabilizatory o ustalonym przez układ wewnętrzny napięciu wyjściowym mają
określoną
także tolerancję tego napięcia. Często producenci podają tolerancję napięcia
wyjściowego jako dopuszczalne odchylenie od wartości nominalnej spowodowane nie tylko
rozrzutami produkcyjnymi, ale również zmianami napięcia wejściowego, prądu i temperatury.
Nominalny prąd wyjściowy(output current rated) jest to maksymalna wartość prądu jakim może
być obciążony układ, przy założeniu, że nie zostanie przekroczona jego dopuszczalna moc.
Napięcie różnicowe wejście-wyjście (input-output voltage differential) jest podawana na ogół jako
minimalna i maksymalna różnica między niestabilizowanym napięciem wejściowym i stabilizowanym
napięciem wyjściowym. Minimalna wartość różnicy napięć określa minimalny spadek napięcia na
elemencie regulacyjnym niezbędny dla rozpoczęcia stabilizacji. Jest to więc napięcie, jakie panuje na
maksymalnie wysterowanym tranzystorze regulacyjnym. Natomiast maksymalna wartość różnicy
między napięciem wejściowym i wyjściowym zależy od parametrów zastosowanych elementów.
Wartość ta jest zawsze podawana z zastrzeżeniem nie przekroczenia dopuszczalnej mocy strat w
stabilizatorze.
6
Zakres napięcia wejściowego (input voltage range) określa minimalną i maksymalną wartość
napięcia wejściowego, przy których stabilizator uzyskuje zdolność stabilizowania. Napięcie
wejściowe jest zawsze większe od napięcia wyjściowego o napięcie różnicowe wejście-wyjście.
Maksymalna moc strat (maximum internal power dissipation) określa moc, która może być
rozproszona w stabilizatorze nie powodując jego uszkodzenia. Moc tę podaje się dla różnych
radiatorów w postaci wykresów w funkcji temperatury.
Współczynnik stabilizacji od zmian napięcia wejściowego (input regulation or line regulation). Współczynnik
stabilizacji napięciowej przy zmianach napięcia wejściowego jest definiowany jako stosunek względnej zmiany
napięcia wyjściowego do względnej zmiany napięcia wejściowego, podawany jest w procentach
U 0
U0
IR 
100%[%]
U I
UI
(2)
i określający, ile procent stanowią zmiany napięcia wyjściowego w odniesieniu do zmian napięcia wejściowego.
Współczynnik IR jest definiowany również jako procentowa zmiana stabilizowanego napięcia wyjściowego przy
zmianie napięcia wejściowego w określonych granicach
IR 
U 0
100%[% / V ] ,
(2a)
U 0U I
gdzie: U 0 jest zmianą napięcia U0 przy zmianie napięcia wejściowego o wartość U I .
W użyciu są obie definicje, dlatego przy ocenie parametrów katalogowych stabilizatora należy na nie zwrócić uwagę.
Współczynnik tłumienia tętnień RR (ripple rejection) jest to stosunek wartości skutecznej lub międzyszczytowej
napięcia tętnień na wyjściu do napięcia tętnień na wejściu wyrażany zwykle w decybelach jako
RR  20 log
U 0t
U It
[dB] .
(3)
Niestabilność napięcia wyjściowego przy zmianach prądu obciążenia (load regulation) określa się zmianą napięcia
wyjścia odpowiadającą zmianie prądu obciążenia i jest podawana w mV lub % Uo. Jako parametr równoważny, może
być podawana rezystancja wyjściowa dla prądu stałego.
Rezystancja wyjściowa dla prądu stałego (output resistance) jest definiowana jako stosunek zmiany napięcia
wyjściowego do zmiany prądu wyjściowego
r o= 
U o
.
I o
(4)
Znak minus został użyty ze względu na przyjęty dodatni kierunek prądu I0, wzrost pądu I0 prowadzi do zmniejszenia
napięcia U0. Zatem znak minus zapewnia, że rezystancja wyjściowa będzie miała wartość dodatnią.
Prąd zwarciowy (shot-circuit current limit) jest to prąd, który powstaje przy zwarciu jego biegunów wyjściowych.
Wartość tego prądu podaje wytwórca stabilizatora.
Prąd wyjściowy minimalny (minimum load current) jest to minimalna wartość prądu niezbędna do poprawnej pracy
stabilizatora (przeważnie 0).
Prąd spoczynkow y(standby current drain) jest to prąd niezbędny do poprawnej pracy układów wewnętrznych
stabilizatora, przy prądzie wyjściowym równym 0. Prąd ten zależy od wartości napięcia wejściowego stabilizatora.
Zakres temperatury pracy (operating tempetature range) jest maksymalną i minimalną temperaturą w jakiej może
pracować stabilizator zachowując swoje parametry.
Współczynnik temperaturowy zmian napięcia wyjściowego (average temperature coefficient of output voltage) jest
to stosunek zmiany napięcia wyjściowego od zmiany temperatury otoczenia przy zachowaniu stałości pozostałych
parametrów i jest on podawany w mV/o C lub w %Uo /o C.
7
Niestabilność długoczasowa (long term stability) określa zmianę napięcia wyjściowego po długim okresie pracy lub
przechowywana i jest podawana jest w mV/1000h lub %Uo/1000h.
Sprawność (efficiency) jest określona stosunkiem mocy wyjściowej do mocy wejściowej
stabilizatora. Moc
wejściowa jest równa sumie mocy wyjściowej i mocy traconej w stabilizatorze. Sprawność wyraża się wzorem
P
Po
 o 
.
PI
Po  Pstab
(5)
Sprawność stabilizatorów o działaniu ciągłym wynosi od 30 do 60%. Wyższą sprawność posiadają
stabilizatory impulsowe.
4. Stabilizatory trójkońcówkowe o ustalonym napięciu wyjściowym
Oprócz stabilizatorów do zastosowań specjalnych można wyróżnić kilka rodzin stabilizatorów: do
stabilizowania napięć dodatnich 7800 (nienastawne o ustalonym napięciu stabilizacji), 317 (nastawne
o dobieranej wartości napięcia wyjściowego) i do stabilizowania napięć ujemnych 7900
(nienastawne), 337 (nastawne). Zestawienie podstawowych parametrów scalonych stabilizatorów
napięcia podano w [1, 2].
Dla większości niekrytycznych zastosowań
układowych
najbardziej
odpowiednim
stabilizatorem napięcia stałego jest prosty
stabilizator z trzema końcówkami. Jego trzy
wyprowadzenia to: końcówki wejścia (Input),
wyjścia (Output) i masy (Ground). Uproszczony
schemat blokowy stabilizatora 78XX pokazano na
rys. 2. Praktyczne układy stabilizatorów napięcia
zawierają oprócz wzmacniacza błędu i źródła
napięcia odniesienia układy zabezpieczające
Rys. 2. Uproszczony schemat scalonego stabilizatora
tranzystor mocy (obszar bezpiecznej pracy,
napięcia serii 7800
temperaturę struktury i prąd wyjściowy) przed

R2 
0.6V
uszkodzeniem.
Układ ograniczenia prądu
U 0  U REF 1 
 , I 0 max 
R1 
R3

wyjściowego kontroluje spadek napięcia na
rezystorze R3 służącym do pomiaru prądu.
Wartość napięcia wyjściowego, zależna od UREF, R1 i R2, jest ustalona w czasie procesu
produkcyjnego, dlatego też nie wymagają one zewnętrznych połączeń do realizacji sprzężenia
zwrotnego.
Rys. 3. Układ współpracy trójkońcówkowego stabilizatora napięcia 7805 z zasilaczem niestabilizowanym i filtrem
kondensatorowym
Typowymi przedstawicielami takich stabilizatorów są układy rodziny 7800. Ostatnie dwie cyfry w
oznaczeniu stabilizatora to wartość jego napięcia wyjściowego, która może być równa 5, 6, 8, 10,
8
12, 15, 18 lub 24V. Na rys. 3 pokazano w jaki sposób można łatwo wykonać stabilizator napięcia o
wartości +5 V z wykorzystaniem jednego z tych stabilizatorów scalonych.
Prostota i łatwość połączeń jest oczywista. Kondensator podłączony do końcówki
wejściowej stabilizatora jest wymagany tylko wtedy, gdy stabilizator jest oddalony od kondensatora
filtrującego zasilacza. Zastosowany kondensator powinien charakteryzować się bardzo małą
rezystancją szeregową. Zalecane wartości wynoszą zwykle 0.2 µF dla kondensatorów ceramicznych,
2µF lub więcej dla kondensatorów tantalowych i 25µF lub więcej dla kondensatorów aluminiowych
elektrolitycznych. Zwykle nie jest wymagane podłączenie kondensatora do końcówki wyjściowej.
Jednakże zastosowanie właściwego kondensatora, np. 0.1µF, poprawia działanie stabilizatora przy
szybkich zmianach obciążenia, a także zmniejsza poziom szumów na wyjściu stabilizatora.
Układy z rodziny 7800 są produkowane w obudowach plastykowych lub metalowych, takich
jak obudowy tranzystorów mocy. Wersja tych stabilizatorów o małej mocy rozproszonej oznaczana
jest symbolem 78Lxx i ma takie same obudowy jak tranzystory małosygnałowe.
Do stabilizowania napięć ujemnych są przeznaczone stabilizatory z rodziny 7900. Sposób ich
wykorzystania niczym nie różni się od przedstawionego wyżej (oczywiście napięcie wejściowe musi
być ujemne). Przykładami innych stabilizatorów tego samego rodzaju są stabilizatory z rodzin LM
320 i LM 340. Stabilizatory należące do rodziny 7800 (7900) mogą być obciążone prądem do 1A
oraz mają wbudowane układy zabezpieczeń nadprądowych i temperaturowych. Jeżeli powstaje
niebezpieczeństwo, układ wyłącza się, a nie przepala, jak bezpiecznik. W przypadku zbyt dużych
wartości różnicy napięć wejściowego i wyjściowego, układy zawarte w strukturze układu scalonego
zapobiegają wyjściu tranzystora szeregowego z obszaru pracy bezpiecznej. Cena i łatwość użycia
tych stabilizatorów zmieniły praktykę projektowania systemów, kiedy dany system jest zbiorem
wielu osobnych płytek drukowanych. Do każdej z płytek doprowadza się napięcie niestabilizowane,
a stabilizacji napięcia dokonuje się lokalnie na każdej płytce.
5. Regulacja napięcia wyjściowego w stabilizatorach trójkońcówkowych
Mimo że w stabilizatorach trójkońcówkowych napięcie wyjściowe ma ustaloną wartość, to
dołączenie dwóch rezystorów pozwala uzyskać układ z regulacją napięcia wyjściowego. Na rys. 4
pokazano połączenie stabilizatora trójkońcówkowego jako stabilizatora napięcia regulowanego.
Stabilizator utrzymuje ustalone napięcie Ustab. Prąd płynący przez
rezystor R1 jest równy Ustab/R1, a prąd płynący przez R2 jest sumą
prądu rezystora R1 i prądu spoczynkowego stabilizatora IQ. Napięcie
wyjściowe jest równe sumie napięcia na rezystorze R2 i napięcia Ustab.
Spadek napięcia na rezystorze R2 określa zależność
Rys. 4. Stabilizator
trójkońcówkowy w układzie z
możliwością regulacji napięcia
wyjściowego
U

U R 2   stab  I Q R2  R2 .
 R1

Stąd, napięcie wyjściowe jest równe

R 
U o  U stab  U R 2  U stab 1  2   I Q R2 .
R1 

(6a)
(6b)
Prąd spoczynkowy stabilizatora napięcia jest tą częścią prądu wejściowego, która nie płynie do
końcówki wyjściowej. Wartość tego prądu zmienia się przy zmianach napięcia wejściowego i prądu
obciążenia. Zmiany prądu spoczynkowego pogarszają parametry stabilizatora, zwłaszcza
współczynniki stabilizacji od zmian napięcia wejściowego i prądu obciążenia. Należy użyć rezystora
R2 o małej wartości, wybrać stabilizator z małym prądem spoczynkowym i mało zależnym od prądu
obciążenia. Prąd spoczynkowy zmienia się wraz ze zmianami temperatury. Również w tym
przypadku ważny jest wybór małej wartości R2. Dla utrzymania określonego napięcia wyjściowego
9
należy również zmniejszyć R1, co zwiększa prąd płynący przez R1 i R2, a w rezultacie maleje
maksymalny prąd wyjściowy możliwy do uzyskania ze stabilizatora.
Pozbawione wyżej wymienionych wad są nowszej generacji trójkońcówkowe stabilizatory
regulowane o bardzo małym prądzie spoczynkowym.
6. Trójkońcówkowe stabilizatory regulowane o bardzo małym prądzie spoczynkowym
W stabilizatorach tych osiągnięto małe wartości prądów spoczynkowych dzięki zaprojektowaniu
układów wewnętrznych stabilizatora w taki sposób, że prawie wszystkie prądy polaryzacji
wypływają przez końcówkę wyjściową, a nie przez wyprowadzenie mocy (wspólne). Prąd
wypływający przez wyprowadzenie mocy nie jest w tym przypadku prądem spoczynkowym
przyrządu i dlatego nosi nazwę prądu końcówki regulacyjnej. Przykładami trójkońcówkowych
stabilizatorów regulowanych są: LM 117, 217 i 317; LM 117HV, 217HV, 317HV; LM 138, 238 i
338; LM 150, 250 i 350.
Nastawny stabilizator napięcia serii 317 o trzech wyprowadzeniach przedstawiono na rys. 5a.
Źródło napięcia odniesienia nie jest tu połączone z masą, lecz z wejściem odwracającym
wzmacniacza błędu. Dlatego napięcie wyjściowe wzrasta do takiej wartości, przy której na
rezystorze R2 występuje spadek napięcia równy UREF. Różnica napięć wejściowych wzmacniacza
operacyjnego jest wtedy równa zeru. Wyjście stabilizatora nie może pozostać bez obciążenia,
ponieważ nie miałby wtedy którędy płynąć prąd zasilania wzmacniacza błędu. Z tego powodu
celowy jest dobór małych rezystancji dzielnika napięcia R1, R2.
b)
a)
Rys. 5. Nastawny stabilizator napięcia z trzema wyprowadzeniami serii 317: a) schemat blokowy; b) stabilizator w

R 
układzie regulacji napięcia wyjściowego U 0  U REF 1  1  , U REF  125
. V
R2 

Na rys. 5b pokazano najprostszy układ aplikacyjny stabilizatora 317. Potencjał na końcówce
regulacji napięcia, w czasie normalnej pracy stabilizatora, jest zawsze o 1.25V niższy od potencjału
końcówki wyjściowej stabilizatora. Stabilizator wymusza na rezystorze R2 napięcie 1.25V. Przez
rezystor R2 płynie prąd I2=1.25/R2=5.2mA. Ponieważ przez wyprowadzenie regulacji napięcia płynie
prąd o bardzo małej wartości (50 - 100µA), który nie może w znaczący sposób zmienić wartości
spadku napięcia na rezystancji R2, to napięcie wyjściowe stabilizatora można wyznaczyć z zależności

R 
125
.
(7)
U o  125
. 
R1  1.25 1  1  .
R2
R2 

10
W układzie przedstawionym na rysunku wartość napięcia wyjściowego może być regulowana
od 1.25V do około 27V. Jeżeli stabilizator ma dostarczać napięcie o ustalonej wartości, to R1
wybiera się tak, aby zakres regulacji jego rezystancji był niewielki, co znacząco poprawia
rozdzielczość regulacji (zamiast potencjometru R1 stosuje się rezystor stały i szeregowo z nim
połączony potencjometr nastawny). Dzięki małej wartości prądu końcówki regulacyjnej i małym
zmianom tego prądu w czasie pracy stabilizatora, można budować precyzyjne stabilizatory napięcia
regulowanego z minimalną liczbą elementów zewnętrznych.
Stabilizator 317 jest umieszczany w rozmaitych obudowach: w plastykowej obudowie dużej
mocy, w metalowej dużej mocy oraz małej obudowie tranzystorowej. Ponieważ żadne z jego
wyprowadzeń nie jest dołączone do masy, może być stosowany on w układach stabilizatorów
wysokonapięciowych. Należy zwracać uwagę, aby różnica napięcia wejściowego i wyjściowego nie
przekroczyła dopuszczalnej wartości maksymalnej równej 40V.
7. Stabilizatory napięć ujemnych
Opisane stabilizatory napięcia są stabilizatorami napięć dodatnich. Za pomocą tych samych
stabilizatorów można stabilizować również ujemne napięcia, jeżeli dysponujemy nieuziemionym
Rys. 6. Stabilizator napięcia dodatniego: a) w układzie stabilizacji napięcia ujemnego, b) układ z błędnym
podłączeniem masy, stabilizator nie będzie działał
źródłem napięcia wejściowego, rys. 6a. Układ nie będzie działał, rys. 6b, jeżeli będzie uziemiony
jeden z zacisków źródła napięcia niestabilizowanego, ponieważ będzie zwarty albo stabilizator (A)
albo napięcie wyjściowe (B). Zwarcie nie występuje wtedy,
gdy stosuje się uproszczony układ do równoczesnego
wytwarzania dodatniego i ujemnego napięcia zasilania
względem masy, przedstawiony na rys. 7. W tym przypadku
potrzebny jest stabilizator ujemnego napięcia, jak pokazano na
rys. 7.
W scalonych stabilizatorach napięć ujemnych serii
7900 i 337 komplementarnych do serii 7800 i 317, tranzystor
Rys. 7. Stabilizacja napięć symetrycznych mocy pracuje w układzie ze wspólnym emiterem, ponieważ
wykorzystuje się w ten sposób łatwy technologicznie do
wytworzenia tranzystor npn. Zasada działania układów przedstawionych na rys. 8 jest taka sama, jak
stabilizatorów o małym spadku napięcia.
11
a)
b)
Rys. 8. Uproszczone schematy stabilizatorów napięć ujemnych:


R 
R 
a) rodzina 7900, U 0  U REF 1  2  ; b) rodzina 377, U 0  U REF 1  1 
R1 
R2 


Zastąpienie w stopniu wyjściowym, w stabilizatorach napięć dodatnich, układu Darlingtona
(UBE1,2 1.6V) układem pracującym ze wspólnym emiterem (UBE  0.7V), w stabilizatorach napięć
ujemnych, powoduje znaczne zmniejszenie różnicowego napięcia wejście-wyjście w odniesieniu do
odpowiadających im stabilizatorów napięć dodatnich.
8. Scalone stabilizatory napięć symetrycznych
Podobnie jak stabilizatory napięć pojedynczych, również stabilizatory napięć symetrycznych
są produkowane jako układy scalone w obu wersjach: z ustaloną lub dobieraną wartością napięcia
wyjściowego. Typowymi scalonymi stabilizatorami symetrycznymi są układy 4194 i 4195. Wartości
napięć wyjściowych układu 4195 są fabrycznie ustalone na 15V, natomiast wartości napięć
wyjściowych stabilizatora 4194 mogą być dobierane za pomocą rezystora zewnętrznego. Oba typy
stabilizatorów są produkowane zarówno w obudowach mocy, jak i w małych obudowach
tranzystorowych. Mają także wewnętrzne zabezpieczenia termiczne oraz układ ograniczania
wartości prądu wyjściowego.
9. Krótki opis badanych układów
Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomocnicze:
- autotransformator z transformatorem bezpieczeństwa;
- oscyloskop dwukanałowy;
- mierniki uniwersalne cyfrowe 2 szt.
Źródłem wejściowego regulowanego napięcia przemiennego jest autotransformator z
transformatorem bezpieczeństwa. Stanowią one oddzielne urządzenie, niepokazane na rys. 9.
Transformator posiada dwa jednakowe uzwojenia wtórne, które mogą być wykorzystane do
realizacji układu prostownika dwupołówkowego z wyprowadzonym punktem środkowym
transformatora, na wyjściu którego otrzymuje się napięcia symetryczne (napięcie dodatnie i napięcie
ujemne o jednakowej wartości bezwzględnej). Budując stabilizator o pojedynczym napięciu
wyjściowym należy posłużyć się jednym z uzwojeń wtórnych transformatora.
12
Widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego scalonych stabilizatorów napięcia przedstawiony
jest na rys. 9.
TRÓJKOŃCÓWKOWE STABILIZATORY NAPIĘCIA
+
IN
OUT
240
1000μF
0,22μF
5
10
30
5
20
50
5
10
30
5
20
50
0,1μF
5k
1000μF
0,22μF
0,1μF
5k
240
IN
OUT
_
Rys. 9. Płyta czołowa stanowiska laboratoryjnego
Struktury badanych stabilizatorów są podłączane do badanych obwodów za pomocą
trójbiegunowej listwy łączeniowej. Szczegółowe informacje na temat parametrów technicznych i
możliwości aplikacyjnych stabilizatorów można znaleźć na stronach internetowych producentów i
dystrybutorów podzespołów elementów elektronicznych.
Przykładowi producenci:
Fairchild, Linear Technology, Maxim, Motorola, National Semiconductor, National Power, Raytheon, SGS-Thomson,
Sherry Semiconductor, Signetics, Silicon General.
10. Obliczenia wstępne i projektowe (powinny być przeprowadzone w domu)
1. Zapoznaj się i przygotuj protokół z parametrami elektrycznymi oraz rysunkami obudów z
wyprowadzeniami stabilizatorów serii 7800, 7900, 317 i 337.
2. Narysuj schemat mostkowego zasilacza sieciowego ze stabilizatorem serii 7800, obudową
TO-220 i wyprowadzeniami końcówek. Nie zapomnij o umieszczeniu w pobliżu stabilizatora
kondensatorów wejściowego CI i wyjściowego C0. Wartości pojemności tych kondensatorów
powinny być zgodne z zaleceniami producenta.
3. Dołącz do schematu przyrządy pomiarowe, które chciałbyś użyć do weryfikacji
eksperymentalnej obliczeń. Zaznacz również jaką wartość będziesz mierzyć danym
miernikiem.
4. Dla układu mostkowego z filtrem kondensatorowym, oblicz napięcie transformatora i
minimalną pojemność kondensatora, aby filtrowane napięcie nigdy nie stało się niższe niż
minimalne napięcie stabilizacji. Do obliczeń przyjmij: I0=0.25 A, U =2.5 V, U D=0.7 V.
13
5. Na podstawie wyników obliczeń narysuj i oznacz wartości chwilowe napięcia na uzwojeniu
wtórnym transformatora, na kondensatorze filtrującym, między wejściem a wyjściem
stabilizatora oraz napięcie wyjściowe.
6. Dokonaj bilansu napięć w oczku zgodnie z prawem Kirchhoffa.
Jeżeli się zgadza bilans, możesz przejść do następnej łamigłówki. Poprzednie doświadczenia pomogą Ci wykonać
podobne zadanie dużo szybciej.
7. Wykonaj punkty 1-6 ze stabilizatorem serii 7900. Zwróć uwagę na napięcie różnicowe
wejście-wyjście stabilizatorów napięć ujemnych w odniesieniu do stabilizatorów napięć
dodatnich. Do obliczeń przyjmij odpowiednią wartość U .
Jeżeli i ten bilans napięć nie przeczy prawu Kirchhoffa, możesz być z siebie zadowolony, bo wykonałeś poprawnie
większą część zadania.
8. Narysuj schemat i oblicz wartości elementów stabilizatora 317 (337) w układzie regulacji
napięcia wyjściowego w zakresie od 1.2 V (-1.2 V) do 25 V (-25 V). Nie zapomnij o
umieszczeniu w pobliżu stabilizatora kondensatorów wejściowego CI i wyjściowego C0.
Wartości pojemności tych kondensatorów powinny być zgodne z zaleceniami producenta.
11. Obserwacje i pomiary
1. Sprawdź, czy przy założonych wartościach napięcia wejściowego, pojemności kondensatora
filtrującego i prądu obciążenia, nienastawne stabilizatory napięcia dodatniego i ujemnego
pracują poprawnie (jeśli nie - należy poprawić projekt). Wyznaczyć napięcie różnicowe oraz
najmniejszą wartość napięcia wejściowego zapewniającą poprawną pracę stabilizatorów.
2. Dla I0=0.25 A i trzech wartości napięcia wejściowego (jednakowych w obu przypadkach),
wyznacz moc traconą przez stabilizatory.
3. Określ zakres zmian napięcia wyjściowego stabilizatorów 317 lub 337 dla obliczonych
wartości rezystancji sprawdzając, czy przy założonych wartościach napięcia wejściowego
układy pracują poprawnie (jeśli nie - należy poprawić projekt). Wyznaczyć napięcie
różnicowe oraz najmniejszą wartość napięcia wejściowego zapewniającą poprawną pracę
stabilizatorów.
4. Dla I0=0.25 A i badanych w pkt. 2 wartości napięcia wejściowego i wyjściowego, wyznacz
moc traconą przez stabilizatory 317 lub 337.
5. Narysuj zależności mocy traconej w stabilizatorach jako funkcję napięcia wejściowego.
6. Określ przydatność badanych stabilizatorów do pracy w różnych warunkach obciążenia i
zasilania.
12. Zasady wykonywania ćwiczeń
Praca studenta polega na wykonywaniu pomiarów, eksperymentów i jednoczesnym sporządzaniu
protokołu, w którym dokumentuje się wszystkie wyniki oraz zamieszcza wnioski, wyjaśnienia i
odpowiedzi na postawione w instrukcji pytania problemowe.
Właściwe przygotowanie do zajęć powinno obejmować:
1. dokładne zaznajomienie się z instrukcją ćwiczenia;
14
2. przygotowanie teoretyczne ukierunkowane na wykonanie wymaganych obliczeń i
rozwiązanie stawianych zagadnień problemowych;
3. wykonanie obliczeń wstępnych i projektowych zgodnie z założeniami podanymi w instrukcji;
4. przygotowanie środków niezbędnych do rejestracji wyników i wykonywania obliczeń:
dyskietek, aparatów cyfrowych lub papieru do rejestracji wykresów itp.;
5. zaznajomienie się z parametrami technicznymi badanych układów i zasada pracy przyrządów
pomiarowych;
6. przygotowanie protokółu zawierającego dokumentację wstępnych obliczeń projektowych
Protokół jest dokumentem pomiarów i jedynym trwałym świadectwem jakości pracy studenta
podczas wykonywania ćwiczeń oraz umiejętności wykorzystania zdobytej wiedzy. Protokół
powinien być wykonany starannie, jednak bez zbędnej formalistyki. Po zakończeniu ćwiczeń
protokół powinien być podpisany przez prowadzącego zajęcia.
13. Przykładowy konspekt protokółu
Strona tytułowa
zgodnie ze wzorem akredytacyjnym przyjętym w Laboratorium Elektroniki Politechniki Białostockiej
Strony następne
Protokół obserwacji i pomiarów
Ćwiczenie ......... TYTUŁ
1.
Wybrane założenia projektowe
(podać parametry techniczne umożliwiające przeprowadzenie obliczeń wstępnych).
2. Obliczenia wstępne i projektowe
(podać całość obliczeń z ewentualnymi komentarzami, wyniki wyróżnić).
3. Wyniki obserwacji i pomiarów
Nr i tytuł podpunktu z instrukcji zawierającego zadanie pomiarowe (schemat pomiarowy, o ile nie jest
podany w instrukcji, wyniki w postaci tabel, wykresy wszystkich mierzonych charakterystyk, rysunkowa
dokumentacja przeprowadzonych obserwacji, obliczenia, odpowiedzi na zagadnienia).
Nr i tytuł kolejnego podpunktu itd.
4. Wnioski
Literatura
1. P. Horowitz, W. Hill. Sztuka elektroniki. WKiŁ, Warszawa, 1995.
2. U. Tietze, Ch. Schenk. Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1997.
15