ZS nr 4 w Tychach	POMIARY ELEKTRYCZNE PRACOWNIA		Rok szkolny 2003/2004
Imię Nazwisko	Klasa IV C Gr. I	Nr ćw.: 8 Temat: Badanie stabilizatorów napięcia o działaniu ciągłym
Data wykonania ćw.	Data oddania spr.	Ocena:	Podpis sprawdzającego:

1. Celem ćwiczenia
   Celem ćwiczenia jest zbadanie oraz poznanie zasady działania stabilizatorów napięcia o działaniu ciągłym. Celem ćwiczenia jest również udoskonalenie umiejętności w posługiwaniu się miernikami elektrycznymi i elektronicznymi, oraz umiejętności budowania układów elektrycznych.
   

2. Podstawy teoretyczne
   Prawie wszystkie układy czy urządzenia elektroniczne wymagają zasilacza, w
   którym jest przynajmniej jedno źródło napięcia stałego o bardzo dobrych parametrach, co zwykle oznacza, że napięcie takiego źródła nie zmienia się ani pod wpływem zmian napięcia w sieci (220V), ani pod wpływem zmian obciążenia. Oczywiście pewne zmiany zawsze będą (nazywa się je tętnieniami) ale dąży się do tego aby były jak najmniejsze. Cel taki uzyskuje się przez stosowanie stabilizacji napięcia układami, które nazywają się stabilizatorami. Jak można krótko wyjaśnić na czym polega mechanizm stabilizacji?
   Otóż dzięki twórcom teorii sprzężenia zwrotnego (w 1928 roku Harold S. Black próbował opatentować zasady ujemnego sprzężenia zwrotnego) oraz dzięki dalszemu rozwojowi tej jakże użytecznej techniki, możliwa jest obecnie realizacja stabilizatorów o bardzo dobrych parametrach. W stabilizatorach stosowane są właśnie obwody ujemnego sprzężenia zwrotnego, w których następuje porównanie wyjściowego napięcia stabilizowanego z wzorcowym źródłem napięcia (o bardzo dużej stałości), w wyniku porównania wypracowany zostaje sygnał sterujący, który wpływa na element regulacyjny tak,
   aby przeciwdziałać niepożądanym zmianom. I tak jeżeli z jakichś powodów napięcie na wyjściu stabilizatora miałoby się zmienić to sygnał uzyskany z obwodu sprzężenia zwrotnego będzie przeciwdziałać tym zmianom.
   
   Rodzaje stabilizatorów.
   Stabilizatory można najogólniej podzielić na:
   - stabilizatory liniowe (linear regulators) lub inaczej stabilizatory o regulacji ciągłej
   - stabilizatory impulsowe - zmniejszające wartość napięcia (step-down)
   - zwiększające wartość napięcia (step-up).
   Oczywiście to nie wyczerpuje wszystkich możliwości gdyż pozostaje jeszcze podział na stabilizatory regulowane, stałe, dodatnie, ujemne itd.
   
   
   
   
   
   
   Parametry stabilizatorów.
   Do najważniejszych parametrów stabilizatory, na które trzeba zwracać szczególną uwagę należy zaliczyć:
   - nominalna wartość napięcia wyjściowego i jego tolerancja
   - maksymalny prąd wyjściowy
   - maksymalny prąd zwarcia
   - zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego
   - minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem, a wejściem potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego (drop out voltage)
   - współczynnik stabilizacji napięciowej (line regulation)

- współczynnik stabilizacji prądowej lub jak kto woli obciążeniowej (load regulation)
- rezystancja wyjściowa
- sprawność energetyczna h

Poniżej przedstawiona jest tabelka porównująca niektóre parametry i własności stabilizatorów liniowych oraz impulsowych.

Własność	Stabilizator liniowy	Stabilizator impulsowy
Sprawność	25% ÷ 60%	75% ÷ 95%
Powierzchnia radiatorów	100%	10% ÷ 20%
Stosunek mocy do masy	20 W/kg	110 W/kg
Pojemność kondensatora wyjściowego	mała	bardzo duża
Parametry stabilizacji	bardzo dobre	dobre
Odpowiedź impulsowa (czas odpowiedzi na nagłe zmiany obciążenia)	5 ÷ 50 µs bardzo dobrze	100 ÷ 1000 µs słabo
Tłumienie szumów i tętnień	bardzo dobre 0,2 ÷ 2 mV	słabe 10 ÷ 60 mV
Zdolność utrzymania napięcia przy krótkotrwałym zaniku napięcia wejściowego (czas podtrzymania tc)	słaba 1 ÷ 10 ms	bardzo dobra 20 ÷ 50 ms (400 ms dla małych Iwy)
Tłumienie zakłóceń radioelektrycznych	bez problemu (kondensatory przeciwzakłóceniowe)	konieczne dodatkowe konstrukcje, środki (ekranowanie, filtry)

Stabilizatory liniowe
- Układy parametryczne
Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametrycznymi.
Rozpatrują więc ten układ jako dzielnik napięcia można powiedzieć, że znikomy przyrost napięcia wyjściowego DU_wy jest wynikiem podziału przyrostu napięcia wejściowego DU_we w stosunku wyznaczonym przez rezystancje R i R_D, co można przedstawić wzorem

DU_wy=DU_we· (R_D/(R + R_D))
Przekształcając ten wzór można wyliczyć współczynnik stabilizacji napięcia oznaczony symbolem S_u
S_u=DU_wy/DU_we=R_D/(R + R_D)
Z przedstawionego wyżej wzoru widać, że aby uzyskać dobrą stabilizację, a więc mały współczynnik S_u, to rezystancja R powinna być znacznie większa w stosunku do R_D. Dla większości diod Zenera wartość rezystancji R_D wynosi od kilku do kilkudziesięciu W i do tego jeszcze zależy od prądu płynącego przez tą diodę czyli I_D. Zwiększając rezystancję R poprawi się współczynnik stabilizacji ale jednocześnie zmniejszeniu ulegnie wartość prądu wyjściowego, co mocno ogranicza praktyczne zastosowanie układu jako stabilizatora. Układy takie mają więc zastosowanie jako źródła napięcia referencyjnego.
   Lepszym rozwiązaniem układu jest jego modyfikacja - układ wzbogacony o tranzystor T pracujący w jako wtórnik emiterowy. Na wyjściu tego układu pojawia się napięcie równe
U_wy=U_Z- U_BE
Korzyścią z zastosowania tranzystora jest to, że można zwiększyć rezystor R nie powodując zmniejszenia prądu wyjściowego, ponieważ nawet przy bardzo małym prądzie bazy I_B, który jest dla diody D prądem obciążenia, prąd wyjściowy I_wy jest duży i można go przedstawić wzorem (patrz dział Tranzystory - bipolarne)
I_wy=I_B· (b + 1)

Układy ze sprzężeniem zwrotnym
Tego typu stabilizatory są chyba najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzężeniem zwrotnym, zarówno w postaci scalonej jak i budowane z elementów dyskretnych muszą składać się z następujących bloków:

- elementu regulacyjnego
-wzmacniacza błędu
-źródła napięcia odniesienia (lub inaczej - źródła referencyjnego)
- układu próbkującego

Oprócz wymienionych bloków stabilizatory wyposażane są również w różnego rodzaju układy zabezpieczające.
   Istotą działania stabilizatorów ze sprzężeniem zwrotnym jest to, że układ dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego śledzi zmiany napięcia wyjściowego i przeciwdziała im w taki sposób aby napięcie wyjściowe pozostało niezmienne. Jak to się dzieje? Napięcie wyjściowe jest podawane poprzez układ próbkujący na wejście wzmacniacza błędu. Układem próbkującym jest układ dzielnika napięcia złożony z rezystorów R2 i R3. Napięcie na wejściu wzmacniacza błędu wynosi więc
U_R3=g · U_wy
gdzie
g=R3/(R2 + R3)
Na drugie wejście wzmacniacza błędu podawane jest napięcie wzorcowe U_ref (lub jak kto woli referencyjne czy też odniesienia). Różnica napięć na wejściach wzmacniacza błędu nazywana jest sygnałem błędu. Sygnał błędu jest wzmacniany i podawany (w przeciwnej fazie do zachodzących zmian na wyjściu stabilizatora) na wejście elementu regulacyjnego, czyli na bazę tranzystora T. Jeżeli napięcie na wyjściu stabilizatora "chce" z jakichś powodów zwiększyć się, to sygnał błędu powoduje zmniejszenie wysterowania tranzystora T i co za tym idzie zmniejszenie napięcia wyjściowego (gdyż zwiększa się napięcie U_CE tranzystora T), podobnie przy zmniejszaniu napięcia wyjściowego tranzystor T jest bardziej wysterowany i napięcie na wyjściu ulega zwiększeniu (napięcie U_CE zmniejsza się). Tak właśnie działa ujemne napięciowe sprzężenie zwrotne zastosowane w układach stabilizatorów liniowych (ze sprzężeniem zwrotnym oczywiście).
   Patrząc na schemat blokowy można ułożyć równanie, które będzie podstawą do projektowania (obliczania) elementów składowych stabilizatora działającego zgodnie z powyższym opisem. Aby to równanie ułożyć należy przyjąć, że wzmacniacz błędu posiada wzmocnienie równe
-k_u (znak minus wynika z ujemnego sprzężenia zwrotnego). Wystarczy teraz porównać napięcie otrzymane na wyjściu wzmacniacza błędu, pomniejszone o napięcie U_BE tranzystora regulacyjnego z napięciem wyjściowym, aby otrzymać następujące równanie

-k_u· (g · U_wy- U_ref) - U_BE=U_wy

Z tego równania na drodze przekształceń matematycznych można wyliczyć napięcie wyjściowe
U_wy=(k_u· U_ref- U_BE)/(1 + g · k_u)
jeżeli założyć, że wzmacniacz błędu ma wzmocnienie o dużej wartości i podzielimy licznik i mianownik powyższego wzoru przez k_u to otrzyma się wzór przybliżony opisujący napięcie wyjściowe stabilizatora
U_wy=U_ref· (1 + R2/R3)
Otrzymane równanie pokazuje, że napięcie wyjściowe stabilizatora U_wy musi osiągać taką wartość aby napięcie na rezystorze R3 miało wartość równą napięciu referencyjnemu U_ref U_R3=g · U_wy=U_ref
wtedy napięcie wyjściowe jest stałe i nie zmienia się i to jest to o co chodzi w stabilizatorze.

3. Schematy pomiarowe
   
   

4. Przyrządy pomiarowe
   - zasilacz stabilizowany TYP P313
   - 3 x multimetr METEX M - 3610
   - układ do badania stabilizatorów napięcia
   - opornik dekadowy D 0,5
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

5. Tabele pomiarowe
   a) wyznaczanie charakterystyki przejściowej
   

R= J0=0		J0=10 mA		J0=20 mA
UD	UWE	UD	UWE	UD	UWE
V	V	V	V	V	V
1	1	0,03	1,03	0	1
2	2	1,01	2	0,05	2
3	3	2,05	3	1,02	3
4	4	3,02	4	2,04	4
5	5	4	5	3,01	5
5,59	6,04	4,94	6	4,03	6
5,76	7	5,57	7	4,94	7
5,81	8,06	5,72	8	5,54	7,96
5,84	8,95	5,81	9	5,76	8,98
5,85	10	5,84	10,1	5,82	10,1
5,87	11,1	5,85	10,98	5,84	10,96
5,89	12,1	5,87	12,1	5,86	11,98




















b) wyznaczanie charakterystyki obciążeniowej


UWE=8 V		UWE=12 V
U0	J0	U0	J0
V	mA	V	mA
5,6	20	5,86	20
5,62	18,9	5,87	19
5,64	18	5,87	18
5,66	17	5,87	17
5,68	16	5,87	16
5,7	15	5,88	15
5,72	14	5,88	13,9
5,73	13	5,88	13
5,75	12,2	5,88	12
5,76	11	5,88	11
5,77	10	5,89	10
5,77	9	5,89	9
5,78	8	5,89	8
5,79	7	5,89	7
5,79	6	5,89	6
5,8	5	5,89	5
5,8	4	5,9	4
5,81	3	5,9	3
5,81	2	5,9	2
5,82	1	5,9	1
5,82	0	5,9	0

6. Obliczeń brak



7. Wykresy
załączone na osobnych kartkach A3:

- charakterystyka przejściowa U₀ =f(U_WE)

- charakterystyka obciążeniowa U₀ =f(I₀)


8. Wnioski i spostrzeżenia

Pomiary przeprowadziliśmy tylko na jednym układzie z diodą Zenera, ponieważ nie starczyło nam czasu na przeprowadzenie pomiaru na układzie scalonym. Jednakże pomiary zostały przeprowadzone w sposób sprawny, dlatego też wykonaliśmy więcej pomiarów dla diody Zenera i jest więcej wykresów. Na wykresach widać niedokładności. Są one spowodowane kilkoma czynnikami :

- na zasilaczu nie zawsze dało się ustawić dokładnej wartości napięcia

- układ nie był idealny i wprowadzone było dodatkowe rezystancje przewodów do obwodu
- sam układ stabilizatora nie był nowy i również wprowadzał błędy

Pomimo błędów wykresy są bardzo podobne do idealnych. Ćwiczenie nie sprawiło nam żadnych kłopotów, a dodatkowo doszliśmy do bardzo dużej wprawy w posługiwaniu się miernikami elektrycznymi, oraz w budowaniu układów elektrycznych.

---