Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

2

A) Cel ćwiczenia.

- Zrozumienie zasady działania stabilizatora napięcia
- Zrozumienie zasady działania i zastosowań obwodów prądu stałego

Podstawowe wymagania
Schemat blokowy układu stabilizatora napięcia

UKŁAD

STABILIZATORA

NAPIĘCIA

U

0

R

0

U

we

I

0

1. Wymaga się aby napięcie wyjściowe (U

O

) pozostawało stałe niezależnie od zmian

napięcia zasilania (U

we

).

2. Wymaga się aby napięcie wyjściowe (U

O

) pozostawało stałe niezależnie od zmian

prądu obciążenia (I

O

).

1. Podstawowy układ parametrycznego stabilizatora napięcia

Rys. 1. Schemat stabilizatora parametrycznego.

Jeśli napięcie zasilania (U

we

) lub prąd obciążenia (I

O

) ulegają zmianie, napięcie wyjściowe

(U

O

) powinno pozostać stałe.

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

3

Rys. 1a. Stabilizator parametryczny. Graficzna analiza pracy.

Przykład 1
Rozważmy obwód z rys. 1, gdzie:
U

Z

= 6,2 [V]

R = 1 [k

Ω]

R

O

= 2 [k

Ω]

U

we

= 12 [V]

Chcemy wyznaczyć wartości: I

R

, I

Z

, I

O

.

Rozwiązanie

]

[

8

,

5

]

[

10

8

,

5

]

[

10

1

]

[

)

2

,

6

12

(

3

3

mA

A

V

R

U

U

I

Z

we

R

=

⋅

=

Ω

⋅

−

=

−

=

−

]

[

1

,

3

]

[

10

1

,

3

]

[

10

2

]

[

2

,

6

3

3

mA

A

V

R

U

I

O

Z

O

=

⋅

=

Ω

⋅

=

=

−

]

[

7

,

2

]

[

)

10

1

,

3

10

8

,

5

(

3

3

mA

A

I

I

I

O

R

Z

=

⋅

−

⋅

=

−

=

−

−

Przykład 2
Rozważmy ten sam układ, przy zmianie napięcia wejściowego na U

we

= 20 [V].

Obliczamy I

R

, I

Z

, I

O

.

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

4

]

[

8

,

13

]

[

10

8

,

13

]

[

10

1

]

[

)

2

,

6

20

(

3

3

mA

A

V

I

R

=

⋅

=

Ω

⋅

−

=

−

]

[

1

,

3

]

[

10

1

,

3

]

[

10

2

]

[

2

,

6

3

3

mA

A

V

I

O

=

⋅

=

Ω

⋅

=

−

]

[

7

,

10

]

[

)

10

1

,

3

10

8

,

13

(

3

3

mA

A

I

Z

=

⋅

−

⋅

=

−

−

Przykład 3

Zmieniamy wartość R

O

z przykładu 1 na 1,5 [k

Ω]

Wyznaczamy I

R

, I

Z

, I

O

.

]

[

8

,

5

]

[

10

8

,

5

]

[

10

1

]

[

)

2

,

6

12

(

3

3

mA

A

V

I

R

=

⋅

=

Ω

⋅

−

=

−

]

[

1

,

4

]

[

10

1

,

4

]

[

10

5

,

1

]

[

2

,

6

3

3

mA

A

V

I

O

=

⋅

=

Ω

⋅

=

−

]

[

7

,

1

]

[

)

10

1

,

4

10

8

,

5

(

3

3

mA

A

I

Z

=

⋅

−

⋅

=

−

−

Z powyższych trzech przykładów możemy zauważyć, że jeżeli napięcie zasilania lub

rezystancja obciążenia ulegają zmianie, to U

O

= U

Z

pozostaje bez zmian i wynosi 6,2 [V],

zmianie ulegają wartości prądów. Należy zauważyć, że istnieją ograniczenia na: I

Zmax

oraz

I

Zmin

.

Przykład 4
Diodę D

z

o parametrach P

Zmax

= 1 [W] oraz U

Zmin

= 5,6 [V] zastosowano w przykładzie 1.

Wyznaczyć I

Zmax

oraz I

Zmin

.

P

Zmax

= 1 [W] , U

Z

= 6,2 [V]

]

[

150

]

[

10

150

]

[

2

,

6

]

[

1

3

max

max

mA

A

V

W

U

P

I

ZD

Z

Z

=

⋅

=

=

=

−

Jeżeli I

Z

> I

Zmax

(150 mA), dioda D

z

ulegnie uszkodzeniu (termicznemu).

• U

Zmin

= 5,6 [V]

O

O

we

O

R

R

R

U

U

+

⋅

=

Jeżeli U

Z

< U

Zmin

, dioda D

Z

nie może pracować jako stabilizator napięcia.

Mamy:

O

O

R

R

V

V

+

Ω

⋅

⋅

=

]

[

10

1

]

[

12

]

[

6

,

5

3

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

5

Ω

=

Ω

⋅

=

Ω

⋅

⋅

=

k

V

V

R

O

9

,

0

10

9

,

0

]

[

10

1

]

[

4

,

6

]

[

6

,

5

3

3

]

[

2

,

0

10

2

,

0

]

[

)

10

2

,

6

10

4

,

6

(

]

[

10

9

,

0

]

[

6

,

5

]

[

10

1

]

[

)

6

,

5

12

(

3

3

3

3

3

min

mA

A

A

V

V

I

I

I

O

R

Z

=

⋅

=

⋅

−

⋅

=

Ω

⋅

−

Ω

⋅

−

=

−

=

−

−

−

2. Wymagania stawiane stabilizatorom napięcia

W tabeli A zestawiono wymagania stawiane stabilizatorom napięcia.

Tabela A

Wymaganie

1. Wahania napięcia zasilania (zmiana napięcia

na obciążeniu U

O

) odpowiadająca zmianom

napięcia na wejściu (U

we

)

→ U

O

= f(U

we

)

możliwe
najmniejsze

2. Wahania obciążenia (zmiana napięcia na

obciążeniu U

O

) odpowiadająca zmianom prądu

na obciążeniu (I

O

)

→ U

O

= f(I

O

)

możliwe
najmniejsze

3. Tętnienia możliwe

najmniejsze

4. Zabezpieczenie przed przekroczeniem wartości

prądu (I

O

)

5. Dopuszczalny zakres napięcia wyjściowego

(U

O

)

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

6

B) Część eksperymentalna

Przebieg ćwiczenia

Badanie podstawowego układu stabilizatora napięcia

1. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2a i 2a1

a)

Rys.2. Schematy ideowe i pomiarowe podstawowego układu stabilizatora napięcia

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

7

2. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U

o

= f(U

we

) przy I

O

= const. (wartość I

O

regulowana

jest potencjometrem VR2).

Wykonać pomiary według tabel 1

÷ 3.

Tabela 1

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 1 [mA]

Tabela 2

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 1,5 [mA]

Tabela 3

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 2 [mA]

3. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U

0

= f(U

we

) przy I

O

= const.

(wg tabel 1

÷ 3).

4. W sprawozdaniu określić wartości U

wemin

dla U

o

= 6,2 [V] dla różnych wartości prądu I

O

.

Lp. U

o

= 6,2 [V]

U

wemin

1

I

o

= 1 [mA]

2

I

o

= 1,5 [mA]

3

I

o

= 2 [mA]

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

8

5. Wyznaczyć rodziny charakterystyk: U

o

= f(I

O

) przy U

we

= const.

I

o

= f(U

O

) przy U

we

= const.

I

o

+ I

Z

= f(U

O

) przy U

we

= const.

Wykonać pomiary według tabel 4

÷ 8.

Tabela 4

I

O

[mA]

0,75 1 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

\we

[mA]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 7 [V]

Tabela 5

I

O

[mA]

0,75 1 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

\we

[mA]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 9 [V]

Tabela 6

I

O

[mA]

0,75 1 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

\we

[mA]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 12 [V]

Tabela 7

I

O

[mA]

0,75 1 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

\we

[mA]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 14 [V]

Tabela 8

I

O

[mA]

0,75 1 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

\we

[mA]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 18 [V]

6. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U

O

= f(I

O

) przy U

we

= const.

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

9

7. Na wspólnym wykresie narysować charakterystyki:

I

we

= f(U

O

) przy U

we

= const. dla U

we

= 12V, 14V, 18V

Na wspólnych wykresach narysować charakterystyki:

I

we

= f(U

O

) przy U

we

= const.

I

O

= f(U

O

) przy U

we

= const.

I

Z

= f(U

O

) przy U

we

= const.

odpowiednio dla napięć wejściowych U

we

= 12, 14, 18 [V]

8. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2b i 2b1

9. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U

o

= f(U

we

) przy I

O

= const.

Wykonać pomiary według tabel 9

÷ 11.

Tabela 9

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 1,5 [mA]

Tabela 10

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 2 [mA]

Tabela 11

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 2,5 [mA]

10. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U

0

= f(U

we

) przy I

O

= const.

(wg tabel 9

÷ 11).

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

10

11. W sprawozdaniu określić wartości U

we min

dla U

o

= 10 [V] dla różnych wartości prądu I

O

.

Lp. U

o

= 10 [V]

U

wemin

1

I

O

= 1,5 [mA]

2

I

O

= 2 [mA]

3

I

O

= 2,5 [mA]

12. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U

o

= f(I

O

) przy U

we

= const.

I

z

= f(I

O

) przy U

we

= const.

Wykonać pomiary według tabel 12

÷ 14.

Tabela 12

I

O

[mA]

1 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 12 [V]

Tabela 13

I

O

[mA]

1 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 14 [V]

Tabela 14

I

O

[mA]

1 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 18 [V]

13. Na wspólnych wykresach narysować rodziny charakterystyk odpowiednio

U

o

= f(I

O

) przy U

we

= const.

I

z

= f(I

O

) przy U

we

= const.

14. Zestawić układ pomiarowy na module laboratoryjnym zgodnie z rysunkiem 2c i 2c1

15. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U

o

= f(U

we

) przy I

O

= const.

Wykonać pomiary według tabel 15

÷ 17.

Tabela 15

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 1,5 [mA]

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

11

Tabela 16

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 2 [mA]

Tabela 17

U

we

[V]

2,8 3 4 5 6 7 8

U

o

[V]

9 10 12 14 16 18

dla

I

0

= 2,5 [mA]

16. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U

0

= f(U

we

) przy I

O

= const.

(wg tabel 17

÷ 19).

17. W sprawozdaniu określić wartości U

we min

dla U

o

= 12,4 [V] dla różnych wartości

prądu I

O.

Lp. U

o

= 12,4 [V]

U

we min

1

I

O

= 1,5 [mA]

2

I

O

= 2 [mA]

3

I

O

= 2,5 [mA]

18. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk U

o

= f(I

O

) przy U

we

= const.

Wykonać pomiary według tabel 18

÷ 20.

Tabela 18

I

O

[mA]

1,5 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 14 [V]

Tabela 19

I

O

[mA]

1,5 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 16 [V]

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

12

Tabela 20

I

O

[mA]

1,5 2 4 6 8 10

15

U

O

[V]

I

Z

[mA]

dla

U

we

= 18 [V]

19. Na wspólnym wykresie narysować rodzinę charakterystyk U

o

= f(I

O

) przy U

we

= const.

(wg tabel 18

÷ 20).

C) Podsumowanie i wnioski.

1. Na podstawie wykonanych pomiarów

0

)

(

=

∆

=

wyj

I

wej

O

U

f

U

(p.2, 9, 15) wyznaczyć

współczynnik stabilizacji napięcia

0

=

∆

∆

∆

=

o

I

wej

O

U

U

K

dla różnych wartości I

O

.

2. Na podstawie wykonanych pomiarów

0

)

(

=

∆

=

wej

U

O

O

I

f

U

(p. 5, 12, 18) obliczyć

wyjściową rezystancję dynamiczną

0

=

∆

∆

∆

=

wej

U

o

O

wyj

I

U

R

dla różnych wartości U

wej

.

3. Na wspólnych wykresach narysować rodziny charakterystyk dla zależności:

• U

O

= f(U

wej

) dla różnych wartości I

O

(p. 3, 10, 16),

• K = f(U

wej

) dla różnych wartości I

O

,

• U

O

= f(I

O

) dla różnych wartości U

wej

(p. 6, 13, 19),

• R

wy

= f(I

O

) dla różnych wartości U

wej

,

• I

O

+ I

Z

= f(U

O

) przy U

we

= const. (p. 7),

• I

we

= f(U

O

) przy U

we

= const. (p. 7),

• I

Z

= f(I

O

) przy U

we

= const. (p. 13),

dla badanych układów stabilizatorów.

W sprawozdaniu należy także przedstawić obserwacje wynikające z realizacji punktów
11 i 17 oraz wnioski z wykreślonych rodzin charakterystyk (p. C 3).

Opracowali: dr inż. Jerzy Chmiel, dr inż. Adam Rosiński, inż. Andrzej Szmigiel
Wydział Transportu PW. Warszawa 2008.

13

D. Wyposażenie.

Elementy układu:
Stanowisko laboratoryjne KL-21001 .................................................................... szt. 1
Moduł laboratoryjny KL-23010 ............................................................................. szt. 1

Sprzęt pomiarowy:
Cyfrowy miernik uniwersalny ................................................................................ szt. 4

E. Literatura.

1. Basztura Czesław: ,,Elementy elektroniczne”. Stow. Inż. i Techn. Mechaników,

1985

2. Kończak Sławomir: ,,Fizyczne podstawy elektroniki”. Wydaw. Politechn. Śląskiej,

1994

3. Kusy Andrzej: ,,Podstawy elektroniki”. Oficyna Wydaw. Politechn. Rzeszowskiej,

1996

4. Marcyniuk Andrzej: ,,Podstawy miernictwa”. Wydaw. Politechn. Śląskiej, 2002
5. Nowaczyk Emilia: ,,Podstawy elektroniki”. Oficyna Wydaw. Politechn. Wrocławskiej,

1995

6. Tietze, Schenk: ,,Układy półprzewodnikowe”. Wydaw. Nauk. –Techn., 1996
7. Wawrzyński Wojciech: ,,Podstawy współczesnej elektroniki”. Oficyna Wydaw.

Politechn. Warszawskiej, 2003

8. Wieland Jerzy: ,,Diody półprzewodnikowe”. Wyższa Szkoła Morska, 1983

F. Zagadnienia do opracowania

1. Definicja stabilizatora oraz podstawowych parametrów (współczynnik stabilizacji

napięcia, współczynnik temperaturowy, rezystancja wyjściowa, sprawność
energetyczna).

2. Stabilizator

parametryczny

– schemat i graficzne wyjaśnienie działania.

3. Wpływ temperatury na pracę stabilizatorów i sposoby kompensacji tego wpływu.
4. Metody

zabezpieczeń stabilizatorów przed przeciążeniem.