uselab6, różne [ Pobierz całość w formacie PDF ]
Aleksander Burd
14-XII-2003
STABILIZATORY NAPI ˛ CIA STAŁEGO O PRACY CI ˛ GŁEJ
O
mówienie podstawowych zagadnie ´
przydatnych w ´wiczeniu nr 6 laboratorium UiSE
Niniejszy tekst jest wersj ˛ autorsk˛ , o charakterze nieoficjalnym. W ˙aden sposób nie jest to lektura
obligatoryjna. Autor nie ro´ci sobie pretensji ani do posiadania racji, ani do jedynie słusznej wizji,
ani te˙ do superpoprawno´ci podanych ni˙ej wyja´nie´ . Wypowiadam si˛ po prostu własnym głosem,
bo prosz˛ mnie o to studenci.
Ten tekst jest prób˛ odpowiedzi na sygnały studentów, którzy skar˙yli si˛ na mał ˛ zrozumiało´´
i nadmiern˛ lakoniczno´´ zalecanych podr˛czników i innych ´ródeł; słuchacze cz˛sto sugerowali
bardziej dost˛pne formy przekazu. Autor b˛dzie zadowolony, je´li poni˙szy tekst b˛dzie po˙yteczny
cho´by dla niektórych odbiorców.
Bardzo prosz˛ szanownych Czytelników o zgłaszanie uwag nt. tego tekstu, wychwytywanie nie-
jasno´ci , bł˛dów itp. Uwagi prosz˛ wysyła´ na adres: burd@ise.pw.edu.pl
1.1 Wst˛p
Zasilacze i stabilizatory stanowi˛ nieodł˛czny fragment aparatury elektronicznej. W obecnych czasach
coraz wi˛ksz˛ rol˛ odgrywaj˛ zasilacze impulsowe, jednak stosuje si˛ je tylko tam, gdzie jest to uza-
sadnione (du˙a moc, konwersja napi˛cia). Stabilizatory o pracy ci˛głej, zwane czasem "liniowymi",
s˛ ci˛gle potrzebne i cz˛sto egzystuj˛ obok zasilaczy impulsowych w tym samym urz˛dzeniu. Obecnie
stosuje si˛ najcz˛´ciej stabilizatory scalone, których u˙ywa si˛ zgodnie z zaleceniami producenta, czyli
raczej bezmy´lnie. Jednak po pierwsze: nie zawsze jest taka mo˙liwo´´ (nietypowe napi˛cie wyj´ciowe,
nietypowy pr˛d ograniczania itp). Po drugie: konstruktor aparatury jest w znacznie lepszej sytuacji,
kiedy ma wybór – zaprojektowa´ własny układ, albo zastosowa´ gotowy.
Uwaga do samego laboratorium UiSE (2003r): wkładki z układami badanymi s˛ bardzo stare.
Gdyby były opracowywane obecnie, zapewne ró˙niłyby si˛ znacznie od dotychczasowych. Moderniza-
cja przydałaby si˛ tak˙e wielu innym ´wiczeniom. Łatwo si˛ jednak domy´li´, co stoi na przeszkodzie
takim szlachetnym zamiarom: powszechny brak pieni˛dzy. Dlatego trzeba si˛ pogodzi´ z konieczno´ci˛
korzystania z tego, co ju˙ istnieje (dotyczy to równie˙ narz˛dzi pomiarowych).
´
wiczenie dotyczy podstawowych wła´ciwo´ci prostych stabilizatorów napi˛cia. W labora-
torium mo˙na bada´ cztery ró˙ni˛ce si˛ zło˙ono´ci˛ i funkcjonalno´ci˛ układy stabilizatorów - od naj-
prostszego (tzw. parametrycznego) układu z diod˛ Zenera, do uniwersalnego stabilizatora kompen-
sacyjnego o zło˙onej budowie wewn˛trznej (układ scalony µA723).
Celem ´wiczenia jest poznanie zasady działania poszczególnych układów, zapoznanie si˛ z
podstawowymi parametrami stabilizatorów napi˛cia, a tak˙e zrozumienie zale˙no´ci mi˛dzy para-
metrami stabilizatora, a zakresem jego stosowalno´ci.
1.2 Funkcja i parametry stabilizatora napi˛cia
Podstawow˛ funkcj˛ stabilizatora jest zapewnienie dostatecznie stabilnego napi˛cia (trzeba zaznaczy´,
˙e "dostatecznie stabilne" nie koniecznie oznacza "bardzo stabilne" - zale˙y to od tolerancji układu
zasilanego na zmiany napi˛cia) potrzebnego do zasilania innych układów. Cz˛sto, cho´ nie zawsze,
stabilizator jest poprzedzony zasilaczem sieciowym (transformator, prostownik i filtr). Stabilizator
zintegrowany z cz˛´ci˛ sieciow˛ mo˙e stanowi´ samodzielny zasilacz, jednak stabilizatory wyst˛puj˛
tak˙e bez obwodów sieciowych jako tzw. zasilacze lokalne. "Zasilacz lokalny" (wła´ciwie stabilizator
lokalny) słu˙y zwykle do zasilania dodatkowym (ni˙szym) napi˛ciem niektórych obwodów bardziej
zło˙onego układu.
Z funkcji układu wynikaj˛ jego podstawowe parametry. Niektóre z nich s˛ oczywiste – np.
nominalne napi˛cie wyj´ciowe stabilizatora. Poni˙ej podano najwa˙niejsze parametry stabilizatorów,
chocia˙ nie wszystkie parametry s˛ w ´wiczeniu badane.
1)
Nominalne napi˛cie wyj´ciowe
U
WY
(lub E
WY
rozumiane jako siła elektromotoryczna). Zwykle
podaje si˛ je przy braku obci˛˙enia, albo przy okre´lonym pr˛dzie obci˛˙enia (chodzi po
prostu o ustalenie jakich´ warunków pomiaru).
2)
Maksymalny pr˛ d wyj´ciowy I
WYMAX
stabilizatora. Zwykle uznajemy, ˙e czym wi˛kszy jest
pr˛d I
WYMAX
tym lepiej. Jednak nie jest tak zawsze - np. w zasilaczach tzw. laboratoryjnych
wprowadza si˛ ´wiadome ograniczanie pr˛du maksymalnego dla ochrony zasilanych urz˛dze´
(ograniczenie pr˛du zwarcia). Pr˛d I
WYMAX
mo˙e wynika´ z ró˙nych przyczyn – wynika to z
zasady działania konkretnego układu. Np. w przypadku badanego w ´wiczeniu prostego
stabilizatora z diod˛ Zenera, obci˛˙enie zbyt du˙ym pr˛dem spowoduje wyj´cie układu z
zakresu stabilizacji, jednak nie musi to oznacza´ zniszczenia – a na pewno nie zniszczczenia
diody Zenera (je´li ju˙ co´ si˛ spali, to b˛dzie to opornik R
1
; mo˙na jednak zastosowa´ opor-
nik o dostatecznie du˙ej mocy). Jednak dla wi˛kszo´ci stabilizatorów (np. dla badanych w
´wiczeniu układów z wtórnikami) przekroczenie okre´lonego pr˛du oznacza uszkodzenie.
Warto zauwa˙y´, ˙e tranzystor steruj˛cy mo˙na uszkodzi´ na dw sposoby: przekraczaj˛c moc
dopuszczaln˛ tranzystora, albo te˙ pr˛d dopuszczalny. To, który z tych parametrów zostanie
przekroczony w danym układzie jako pierwszy, decyduje o warto´ci I
WYMAX
stabilizatora.
3)
Minimalne napi˛cie zasilania
(czyli wej´ciowe) U
ZMIN
stabilizatora, przy którym dany sta-
bilizator mo˙e ju˙ poprawnie działa´. Cz˛sto ten parametr wyra˙a si˛ w nieco inny sposób –
poprzez napi˛cie U
DR
(
ang. dropout voltage
), czyli minimalne napi˛cie mi˛dzy wej´ciem a
wyj´ciem stabilizatora. Czym mniejsze U
DR
tym oczywi´cie lepiej, gdy˙ przekłada si˛ to na
mniejsz˛ moc tracon˛ na elementach stabilizatora. Istniej˛ specjalne konstrukcje stabilizatorów,
które pozwalaj˛ na zminimalizowanie napi˛cia U
DR
(ale takie nie wyst˛puj˛ w ´wiczeniu).
4)
Rezystancja wyj´ciowa r
WY
. Rezystancja wyj´ciowa stabilizatora jest swojego rodzaju miar˛
"podatno´ci" układu na wpływ obci˛˙enia. Oczywi´cie d˛˙y si˛ do tego, ˙eby napi˛cie
wyj´ciowe nie zmieniało si˛ po wpływem pr˛du obci˛˙enia, jednak wpływ taki zawsze istnieje
– miar˛ tego wpływu jest wła´nie niezerowa warto´´ r
WY
.
5)
Współczynnik stabilizacji S
U
, który okre´la z kolei "podatno´´" stabilizatora na zmiany
napi˛cia zasilania. Napi˛cie zasilania (wej´ciowe) stabilizatora mo˙e ulega´ okre´lonym
wahaniom zwi˛zanym np. ze zmianami napi˛cia w sieci energetycznej. Pomimo tych waha´
chcemy oczywi´cie, aby napi˛cie wyj´ciowe pozostawało stałe, zawsze jednak daje si˛ zaob-
serwowa´ pewn˛ zale˙no´´ U
WY
od U
Z
. Zale˙no´´ t˛ mierzy si˛ wła´nie jako współczynnik
stabilizacji S
U
.
6)
Sprawno´´
- czyli moc przekazana do obci˛˙enia w stosunku do mocy dostarczonej do
stabilizatora (moc dostarczona to suma: mocy przekazanej do obci˛˙enia i mocy strat w
stabilizatorze). Oczywi´cie czym mniej mocy traconej przypada na stabilizator, a wi˛cej na
obci˛˙enie, tym lepiej.
W ´wiczeniu laboratoryjnym mierzy si˛ parametry: U
WY
, r
WY
, S
U
i U
ZMIN
(lub U
DR
). W ´wiczeniu nie
mierzy si˛ wprawdzie mocy wydzielanej, aczkolwiek oczekuje si˛ dokonania elementarnych oblicze´
pod k˛tem nieprzekraczania pr˛du maksymalnego i mocy dopuszczalnej poszczególnych elementów.
Szczegółowe definicje poszczególnych parametrów zostały omówione dalej - na przykładzie
najprostszego stabilizatora z diod˛ Zenera.
1.3
Prosty stabilizator z diod˛ Zenera ("parametryczny")
(UWAGA. W tym punkcie omówione s˛ definicje parametrów stabilizatorów)
Prosty układ z diod˛ Zenera (DZ) jest stosowany do´´ cz˛sto. Bywa wykorzystywany jako stabilizator
samodzielny, jednak raczej do układów o małym poborze pr˛du i do´´ du˙ej tolerancji na napi˛cie
zasilania. Cz˛´ciej układ ten pojawia si˛ w bardziej zło˙onych strukturach jako "zasilacz lokalny" lub
jako swojego rodzaju pomocnicze napi˛cie odniesienia. Stabilizator z DZ jest te˙ cz˛´ci˛ składow˛ bar-
dziej zło˙onych układów - np. stabilizator omówiony w p. 1.4 to wła´ciwie układ z diod˛ Zenera
2
uzupełniony o wtórnik emiterowy. Warto tak˙e zauwa˙y´, ˙e wi˛kszo´ci tzw. ´ródeł napi˛cia odnie-
sienia
1
u˙ywa si˛ podobnie do diody Zenera.
1.3.1 Budowa i wła´ciwo´ci stabilizatora z diod˛ Zenera
Budowa stabilizatora z diod˛ Zenera jest bardzo prosta
(rys. 1.): opornik R
1
zasila diod˛ Zenera DZ
1
. Zasad˛ stabili-
zacji jest wykorzystanie faktu, i˙ DZ cechuje si˛ w pewnym
zakresie charakterystyki okre´lonym i w miar˛ stałym na-
pi˛ciem przebicia oznaczanym zwykle U
DZ
(rys. 2.). Je´li
punkt pracy diody zastanie ustalony w obszarze przebicia
(czyli w zakresie stabilizacji), to panuj˛ce na diodzie napi˛cie
jest bliskie nominalnemu napi˛ciu U
DZ
. Warunki zewn˛trzne
(napi˛cie zasilania U
Z
, pr˛d obci˛˙enia I
O
) oczywi´cie
wpływaj˛ na punkt pracy DZ. Dopóki jednak punkt pracy DZ
pozostaje na przebiciowej cz˛´ci charakterystyki - układ pełni
swoj˛ funkcj˛, czyli stabilizuje napi˛cie (z zastrze˙eniem, ˙e napi˛cie to zmienia si˛ nieco wraz ze
zmianami punktu pracy, bo przebiciowa gał˛´ charakterystyki nie jest ´ci´le pionowa).
Rys. 1
. Budowa układu z diod˛ Ze-
nera
1.3.2 Minimalny pr ˛d poprawnej pracy diody Zenera
Jest jasne, ˙e układ z rys. 1. nie mo˙e pracowa´
poprawnie w ka˙dych warunkach. Zbyt wyra´ne zmniejszenie
pr˛du płyn˛cego przez DZ spowoduje najpierw wej´cie
punktu pracy w obszar tzw. "kolana", gdzie trudno ju˙
mówi´ o stabilizacji, a przy jeszcze mniejszym pr˛dzie dioda
b˛dzie praktycznie zatkana. Producenci diod Zenera podaj˛
w katalogach pr˛d minimalny poprawnej stabilizacji, który
jest jednocze´nie pr˛dem nominalnym I
DZ0
(przy tym pr˛dzie
mierzy si˛ nominalne napi˛cie stabilizacji U
DZ
).
Dla wi˛-
kszo´ci diod Zenera pr˛ d nominalny wynosi 5mA
, tak jest
te˙ w przypadku diod u˙ywanych w ´wiczeniu. Warto´´ I
DZ0
nale˙y wi˛c rozumie´ jako warto´´ minimaln˛, poni˙ej której
producent nie bierze odpowiedzialno´ci za napi˛cie diody.
Rys. 2
. Charakterystyka diody Zenera
1.3.3 Maksymalny pr˛ d diody Zenera
Z drugiej strony przez DZ nie mo˙e płyn˛´ pr˛d dowolnie du˙y. Zwykle ograniczeniem
podawanym przez producentów nie jest jednak pr˛d przebicia o okre´lonej warto´ci, a moc
dopuszczalna P
MAX
danej diody. Pr˛d maksymalny I
DZM
wynika po´rednio wła´nie z P
MAX
, czyli I
DZM
=
P
MAX
/U
DZ
.
Podsumowuj˛c:
-
do poprawnego działania DZ konieczne jest, aby napi˛cie zasilania U
Z
było wi˛ksze od U
DZ
(zwykle jest wyra´nie wi˛ksze), inaczej nie sposób zapewni´ przepływu pr˛du przez R
1
i DZ,
-
niekontrolowane zwi˛kszanie napi˛cia zasilania U
Z
mo˙e doprowadzi´ do przekroczenia mocy
dopuszczalnej P
MAX
,
-
zwi˛kszanie pr˛du obci˛˙enia I
O
jest równoznaczne ze zmniejszaniem pr˛du płyn˛cego przez
DZ, co w skrajnym przypadku mo˙e oznacza´ nawet zatkanie diody (przy czym warto zauwa-
˙y´, ˙e zwi˛kszaj˛c pr˛d obci˛˙enia nie mo˙na uszkodzi´ diody; łatwo to zrozumie´, wy-
obraziwszy sobie na schemacie z rys. 1. zwarcie zamiast obci˛˙enia).
1
´
ródła napi˛cia odniesienia to najcz˛´ciej układy scalone (np. LM385 lub TL431), których u˙ywa si˛ podobnie do diody Zenera (tj.
podobnie zasila - np. poprzez opornik), ale o znacznie lepszych parametrach.
3
Jako´´ stabilizacji - współczynnik stabilizacji S
U
Odporno´´ ka˙dego stabilizatora na wahania napi˛cia U
Z
opisuje współ-
czynnik S
U
- czym mniejsza zmiana
D
U
WY
napi˛cia wyj´ciowego pojawia
si˛ w odpowiedzi na zmian˛
DU
Z
napi˛cia zasilania, tym lepiej (idealny
stabilizator miałby S
U
= 0)
(1)
Rys. 3
. Model diody Ze-
nera w stanie przebicia
Czasami spotyka si˛ inne definicje tego współczynnika, w ´wiczeniu
u˙ywany jest jednak opis jak wy˙ej. Podana definicja pozwala od razu ustali´ sposób pomiaru S
U
:
nale˙y zmienia´ napi˛cie zasilania i jednocze´nie mierzy´ zmiany napi˛cia wyj´ciowego.
Okre´lono ju˙ definicj˛ współczynnika S
U
, a tak˙e ogólny sposób pomiaru tego parametru.
Potrzebna jest jeszcze umiej˛tno´´ teoretycznego przewidywania (obliczania) tego współczynnika.
Teoretyczne oszacowanie S
U
jest mo˙liwe po wprowadzeniu modelu zast˛pczego DZ. Potrzebny jest
model, który odtwarzałby wła´ciwo´ci diody Zenera w stanie przebicia. Taki – bardzo prosty
2
– model
przedstawia rys. 3. W modelu tym ´ródło napi˛ciowe U
DZ
odtwarza napi˛cie nominalne diody Zenera
3
, a oporno´´ r
DZ
– rezystancj˛ wewn˛trzn˛ (zwan˛ te˙ rezystancj˛ dynamiczn˛).
Schemat zast˛pczy całego układu z modelem zast˛p-
czym DZ przedstawia rys. 4. W takim uj˛ciu obliczenie S
U
jest prostym zadaniem z zakresu teorii obwodów. Z punktu
widzenia zmian napi˛´ (zasilania i wyj´ciowego) oporno´ci
R
1
i r
DZ
tworz˛ zwykły dzielnik. Kiedy na wej´ciu dzielnika
napi˛cie zmieni si˛ o
D
U
Z
, to na wyj´ciu sił˛ rzeczy zaobser-
wujemy zmian˛
(2)
Rys. 4
. Model całego układu z DZ
St˛d
(3)
Parametr r
DZ
jest podawany w katalogach producentów zwykle dla pr˛du nominalnego I
DZ0
=
2
Model ten jest prosty dzi˛ki temu, ˙e odtwarza wła´ciwo´ci DZ
tylko
dla zakresu przebicia, a wprowadzona oporno´´
r
DZ
jest liniowa (uproszczenie).
3
Przy dokładniejszych rozwa˙aniach uwzgl˛dnia si˛ czasami fakt, ˙e napi˛cie U
DZ
w modelu musi by´ pomniejszone o
spadek napi˛cia na r
DZ
wywołany przepływem pr˛du I
DZ
(zwykle 5mA).
4
5mA, tak samo jak U
DZ
. Warto pami˛ta´, ˙e rezystancja wewn˛trzna r
DZ
jest ró˙na dla diod o ró˙nych
napi˛ciach nominalnych; nie nale˙y tak˙e zapomina´ o rozrzucie mi˛dzyegzemplarzowym tego para-
metru (co skutkuje warto´ci˛ rzeczywist˛ inn˛ od przewidywanej). Zwykle r
DZ
jest rz˛du od kilku do
kilkudziesi˛ciu omów.
"Jako´´" wyj´cia stabilizatora: rezystancja wyj´ciowa r
WY
Im mniejsza rezystancja wyj´ciowa stabilizatora r
WY
, tym jest
on bli˙szy idealnemu ´ródłu napi˛ciowemu, a wi˛c tym
lepszy stabilizator. Stabilizator jako "czarna skrzynka" jest
przedstawiony na rys. 5. – jest to prosty układ zast˛pczy
zło˙ony z idealnego ´ródła napi˛ciowego E
WY
(czyli U
WYNOM
)
i rezystancji r
WY
. Napi˛cie obserwowane na zaciskach układu
to U
WY
. Gdyby r
WY
było równe zeru, to niezale˙nie od nat˛-
˙enia pr˛du obci˛˙enia I
O
napi˛cie U
WY
zawsze byłoby równe
E
WY
. Jednak budowa układu elektronicznego o rezystancji
wewn˛trznej równej zeru nie jest mo˙liwa: r
WY
jest zawsze
wi˛ksze od zera. Z tego wynika, ˙e napi˛cie U
WY
zale˙y od pr˛du obci˛˙enia I
O
, gdy˙ pr˛d ten odkłada
na rezystancji r
WY
okre´lony spadek napi˛cia
Rys.
5
.
Schemat
zast˛pczy
wyj´cia
stabilizatora
(4)
Wła´nie o warto´´ DU napi˛cie wyj´ciowe U
WY
jest mniejsze od napi˛cia nominalnego U
WYNOM
: U
WY
=
E
WY
–
U. Z powy˙szego wida´, ˙e np. zmniejszaj˛c do zera pr˛d obci˛˙enia I
O
mo˙na zmierzy´
napi˛cie nominalne E
WY
. Z kolei ustalaj˛c znan˛ (i wi˛ksz˛ od zera) warto´´ I
O
i mierz˛c zmniejszone
napi˛cie wyj´ciowe mo˙na obliczy´ r
WY
. Formalna definicja r
WY
wygl˛da nast˛puj˛co:
D
(5)
Okre´lenie r
WY
bywa czasami utrudnione przez fakt, ˙e w ogólnym przypadku rezystancja r
WY
nie musi
by´ liniowa (i zwykle nie jest). To oznacza, ˙e pełna informacja o r
WY
wymaga okre´lenia (zarówno
na poziomie pomiarowym, jak i analitycznym) zale˙no´ci r
WY
(I
O
). Z punktu widzenia pomiaru r
WY
oznacza to konieczno´´ zmierzenia tej rezystancji
4
przy ró˙nych nat˛˙eniach pr˛du I
O
(np. dla I
O
=
0 i dla I
OMAX
oraz dla wybranych warto´ci po´rednich). Warto zaznaczy´, ˙e najcz˛´ciej nie jest
potrzebna a˙ tak precyzyjna informacja - cz˛sto zadowalamy si˛ zgrubn˛ ocen˛ r
WY
, mierz˛c po prostu
zmian˛ U
WY
przy maksymalnych zmianach pr˛du obci˛˙enia (zwykle od zera do okre´lonego I
OMAX
).
Warto jednak zdawa´ sobie spraw˛, ˙e r
WY
ka˙dego stabilizatora mo˙e by´ wyra´nie ró˙na przy
ró˙nych pr˛dach obci˛˙enia. Zlekcewa˙enie tego faktu mo˙e poskutkowa´ np. bł˛dn˛ ocen˛ jako´ci
danego stabilizatora, czy te˙ niewła´ciwym jego zastosowaniem.
Podobnie jak w przypadku parametru S
U
, staramy si˛ nie tylko ustali´ sposób pomiaru
oporno´ci r
WY
, ale tak˙e próbujemy przewidywa´ warto´´ tej oporno´ci na drodze teoretycznej.
Przewidywanie r
WY
dla układu z rys. 1 jest tak samo nieskomplikowane, jak i wcze´niej omawianego
współczynnika S
U
. Je´li tylko DZ pozostaje w zakresie przebicia, to ponownie mamy do czynienia z
elementarnym zagadnieniem z zakresu teorii obwodów. Z punktu widzenia zale˙no´ci pomi˛dzy
zmianami napi˛cia wyj´ciowego
I
O
(wa˙ne s˛ tylko przyrosty
obu wielko´ci), znaczenie maj˛ jedynie rezystancje wyst˛puj˛ce w układzie. Z tego wynika warto´´
D
U
WY
, a zmianami pr˛du obci˛˙enia
D
4
Najcz˛´ciej informacj˛ o zmienno´ci r
WY
uzyskuje si˛ mierz˛c charakterystyk˛ wyj´ciow˛, czyli zale˙no´´ napi˛cia
wyj´ciowego od pr˛du U
WY
(I
O
), a nie r
WY
(I
O
).
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]