stabilizator_napiecia.pdf

Temat: Badanie układów stabilizacji napięcia.

Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem stabilizatorów napięcia.

Część teoretyczna:

Stabilizatory napięcia stałego są to układy elektryczne dostarczające do odbiornika napięcie

o stałej wartości niezależnie od zmian w określonych granicach: napięcia wejściowego, prądu

obciążenia, temperatury i czasu.

Schemat blokowy układu zasilania odbiornika prądu stałego z sieci energetycznej prądu

przemiennego z zastosowaniem stabilizatora napięcia przedstawia rysunek:

schemat blokowy układu zasilania odbiornika prądu stałego z sieci energetycznej z zastosowaniem stabilizatora napięcia

Transformator TR obniża napięcie sieci do wymaganej wartości, prostownik P

zamienia napięcie przemienne na jednokierunkowe, filtr pojemnościowy F wygładza

napięcie jednokierunkowe.

Podstawowe parametry stabilizatorów napięcia:

- znamionowe napięcie wyjściowe,

- zakres zmian napięcia wejściowego,

- współczynnik stabilizacji,

- rezystancja wyjściowa.

Znamionowe napięcie wyjściowe to napięcie, na które stabilizator został zaprojektowany i

wykonany.

Zakres zmian napięcia wejściowego określa minimalną U we min i maksymalną wartość U we max

napięcia wejściowego, przy której stabilizator poprawnie pracuje.

Współczynnik stabilizacji napięcia K u :

K u = Δ U wy

Δ U we

gdzie: Δ U wy - zmiana napięcia wyjściowego odpowiadająca zmianie napięcia wejściowego

Δ U we.

Współczynnik ten wskazuje, ile razy wahania napięcia wyjściowego (napięcia na urządzeniu

zasilanym) są mniejsze od wahań napięcia zasilania.

Rezystancja wyjściowa stabilizatora:

R wy = Δ U wy

Δ I wy

, przy U we = const,

gdzie: ΔU wy – zmiana napięcia wyjściowego odpowiadająca zmianie prądu obciązenia ΔI wy

Rezystancja ta decyduje o przebiegu charakterystyki zewnętrznej U wy =f(I wy ) stabilizatora.

Podstawowe charakterystyki stabilizatorów napięcia:

- charakterystyka napięciowa U wy =f(U we ) przy I wy =const.

- charakterystyka zewnętrzna U wy =f(I wy ) przy U we =const.

1.3. Klasyfikacja stabilizatorów

Pod względem zasady działania stabilizatory można podzielić na dwa podstawowe rodzaje:

- stabilizatory parametryczne,

- stabilizatory kompensacyjne.

Stabilizatory parametryczne

Stabilizatory parametryczne wykorzystują nieliniowe charakterystyki napięciowo-prądowe

elementów użytych do budowy stabilizatora. Najczęściej wykorzystywanym elementem

stabilizującym w stabilizatorze parametrycznym jest dioda Zenera.

a) schemat elektryczny

b) charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera

Dioda Zenera jest to specjalna dioda krzemowa pracująca przy polaryzacji zaporowej przy

napięciu nieznacznie wyższym od napięcia przebicia U z (rys. b) nazywanego napięciem

Zenera. Napięcie na pracującej diodzie, a tym samym na odbiorniku R o , jest praktycznie stałe

w szerokim przedziale zmian prądu I z przepływającego przez diodę (rys. b - obszar pracy

diody). Przy zmianach napięcia wejściowego U 1 , przy R o =const., ulega zmianie natężenie

prądu I 1 , ale w zasadzie tylko kosztem zmiany natężenia prądu I z . W efekcie na rezystorze

szeregowym R 1 odkłada się praktycznie całkowity przyrost napięcia wejściowego, a napięcie

wyjściowe pozostaje na tym samym poziomie. Jeżeli natomiast wzrośnie R o przy U 1 =const.,

to zmienia się rozdział prądu I 1 pomiędzy diodę a odbiornik w ten sposób, że prąd diody I z

wzrośnie tak, iż:

I 1 = I z + I 2 = const.

W tym przypadku napięcie U 2 na odbiorniku R o również zostanie praktycznie na poprzednim

poziomie. Jak wynika z charakterystyki napięciowo-prądowej diody (rys. b), stabilizator

będzie poprawnie pracować, jeżeli będą spełnione następujące kryteria:

- wynikające z zasilania:

- wynikające z obciążenia:

U z > U o,

U z

I z − I z min

R O ≥ R O min =

gdzie: U z – napięcie znamionowe diody,

I z – prąd znamionowy diody,

I z min – minimalna wartość prądu diody w czasie pracy stabilizatora (I z min = 0,1 I z ).

Należy zauważyć, że w układzie jak na rys. a, dioda jest najbardziej obciążona w stanie

jałowym stabilizatora tj. kiedy odbiornik R o jest odłączony.

Z powyższego uwarunkowania wynika dobór odbiornika R 1 :

- wartość rezystancji R 1 :

R 1 = U 1max − U z

I z

- moc rezystora R 1 :

P R = I z 2 ⋅ R ,

gdzie: U 1max – największa wartość napięcia wejściowego, jakie może wystąpić w czasie pracy

stablilizatora

Stabilizatory kompensacyjne

Stabilizatory kompensacyjne w procesie stabilizacji porównują napięcie stabilizowane z

wzorcowym i w przypadku ich różnicy tak działają na element sterujący, że kompensuje on

zmiany napięcia wyjściowego.

Jeżeli wskutek zmiany np. napięcia U 1 zmieni się napięcie stabilizowane U 2 , to wówczas

układ porównująco-wzmacniający przekaże różnicę między napięciem odniesienia U s i

napięciem U 2 do sterownika, który powodować będzie kompensację zmiany napięcia U 2 .

Obecnie stabilizatory kompensacyjne budowane są jako układy monolityczne, w których

skład wchodzi wiele elementów połączonych w oparciu o złożony schemat wewnętrzny.

Podstawowymi parametrami takich stabilizatorów są:

- U we max - największa wartość napięcia wejściowego,

- U wy - znamionowe napięcie wyjściowe,

- I wy max - największy prąd obciążenia stabilizatora.

Cechą szczególnie odróżniającą stabilizator kompensacyjny od stabilizatora parametrycznego

(np. z diodą Zenera) jest bardzo mały prąd wejściowy I 10 w stanie jałowym, praktycznie stały

w przedziale zmian napięcia wejściowego U 1 .

I 10 ≈ (3−5 %) I wy max .

1.4. Sprawno ść stabilizatorów napi ę cia

Sprawność stabilizatorów napięcia określana jest zależnością:

η= U 2 I 2

U 1 I 1

⋅100%

jest stosunkowo niska i nie przekracza 50 %. Znaczne straty mocy wynikające z niskiej

sprawności:

Δ P = ( U 1 − U 2 ) I 1

są tracone w stabilizatorze. Straty te są podstawowym problemem miniaturyzacji

stabilizatorów monolitycznych.

Rozpoczęcie części praktycznej:

Badanie stabilizatora napięcia:

Dane do badania:

1. karta pomiarowa nr SO4201-8F,

2. generator funkcyjny,

3. 2x woltomierz,

4. oscyloskop dwukanałowy z kompletem przewodów.

I. Wykaz działań:

1. sprawdzenie stanowiska pod kątem przepisów BHP i PPOŻ;

2. zapoznanie się z dokumentacją techniczną używanych urządzeń, w szczególności

parametrów zasilania oraz sposobów bezpiecznego użytkowania;

3. zaprojektowanie schematów układów pomiarowych;

4. sporządzenie tabel pomiarowych;

5. połączenie układów pomiarowych;

6. dokonanie niezbędnych pomiarów;

7. zapisanie wyników pomiarów do tabel;

8. wykreślenie charakterystyk;

9. obliczenie parametrów obliczalnych lub odczytanie parametrów wykreślnych z

charakterystyk;

10. wyciągnięcie wniosków;

11. zapisanie wniosków.

Schematy układów do badania:

II. Schematy układów pomiarowych:

schemat pomiarowy nr I

schemat pomiarowy nr II

III. rozpoczęcie pomiarów:

1. badanie działania stabilizatora przy różnych wartościach rezystancji obciążającej i

przy włączonej do obwodu diodzie Zenera:

a) zmontowanie pierwszego schematu pomiarowego;

b) ustawienie parametrów przyrządów i uruchomienie przyrządów:

- woltomierze: 20V DC AV;

c) odczyt napięcia z woltomierza;

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: