Politechnika Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do
ć
wicze
ń
laboratoryjnych z przedmiotu
ELEKTRONIKA ENS1C300 022
TRÓJKO
Ń
CÓWKOWE STABILIZATORY NAPI
Ę
CIA
BIAŁYSTOK 2013
2
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.
ź
ródła 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.
3
Ponieważ wartości prądów wpływających do wejść wzmacniacza błędu są bardzo małe, to
ten sam prąd o wartości U
o
/(R
1
+R
2
) płynie przez rezystory R
1
i R
2
. 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 U
REF
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
U
R
R
R
REF
o
=
+
2
1
2
,
(1a)
stąd napięcie wyjściowe
U
U
R
R
R
U
R
R
o
REF
REF
=
+
=
+
1
2
2
1
2
1
.
(1b)
Nie wnikając w możliwości praktyczne układów, regulacja napięcia wyjściowego stabilizatorów
może zachodzić przy zmianie rezystancji dzielnika R
1
i R
2
oraz napięcia odniesienia U
REF
.
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.
4
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
IR
U
U
U
U
I
I
=
∆
∆
0
0
100%[%]
(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
U U I
V
=
∆
0
0
100%[% /
] ,
(2a)
gdzie:
∆
U 0 jest zmianą napięcia U
0
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
U t
U It
dB
=
20
0
log
[
] .
(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 % U
o
. 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 I
0
, wzrost pądu I
0
prowadzi do zmniejszenia
napięcia U
0
. 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 %U
o
/
o
C.
5
Niestabilność długoczasowa (long term stability) określa zmianę napięcia wyjściowego po długim okresie pracy lub
przechowywana i jest podawana jest w mV/1000h lub %U
o
/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
η
=
=
+
Po
PI
Po
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
ź
ródła
napięcia
odniesienia
układy
zabezpieczające
tranzystor
mocy
(obszar
bezpiecznej pracy, temperaturę struktury i prąd
wyjściowy)
przed
uszkodzeniem.
Układ
ograniczenia prądu wyjściowego kontroluje
spadek napięcia na rezystorze R
3
służącym do
pomiaru prądu. Wartość napięcia wyjściowego, zależna od U
REF
, R
1
i R
2
, 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,
Rys. 2. Uproszczony schemat scalonego stabilizatora
napięcia serii 7800
U
U
R
R
REF
0
2
1
1
=
+
,
I
V
R
0
3
0 6
max
.
=
6
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 U
stab
. Prąd płynący przez
rezystor R
1
jest równy U
stab
/R
1
, a prąd płynący przez R
2
jest sumą
prądu rezystora R
1
i prądu spoczynkowego stabilizatora I
Q
. Napięcie
wyjściowe jest równe sumie napięcia na rezystorze R
2
i napięcia
U
stab.
Spadek napięcia na rezystorze R
2
określa zależność
2
2
1
2
R
R
I
R
U
U
Q
stab
R
+
=
(6a)
Stąd, napięcie wyjściowe jest równe
2
1
2
2
1
R
I
R
R
U
U
U
U
Q
stab
R
stab
o
+
+
=
+
=
(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 R
2
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
Rys. 4. Stabilizator
trójkońcówkowy w układzie z
możliwością regulacji napięcia
wyjściowego
7
tym przypadku ważny jest wybór małej wartości R
2
. Dla utrzymania określonego napięcia
wyjściowego należy również zmniejszyć R
1
, co zwiększa prąd płynący przez R
1
i R
2
, 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 R
2
występuje spadek napięcia równy U
REF
. 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 R
1
, R
2
.
a)
b)
Rys. 5. Nastawny stabilizator napięcia z trzema wyprowadzeniami serii 317: a) schemat blokowy; b) stabilizator w
układzie regulacji napięcia wyjściowego
U
U
R
R
REF
0
1
2
1
=
+
, U
V
REF
=
125
.
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 R
2
napięcie 1.25V. Przez
rezystor R
2
płynie prąd I
2
=1.25/R
2
=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 R
2
, to napięcie wyjściowe stabilizatora można wyznaczyć z
zależności
U
R
R
R
R
o
=
+
=
+
125
1 25
125 1
2
1
1
2
.
.
.
.
(7)
8
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 R
1
wybiera się tak, aby zakres regulacji jego rezystancji był niewielki, co znacząco poprawia
rozdzielczość regulacji (zamiast potencjometru R
1
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
ź
ródłem 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
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.
Rys. 7. Stabilizacja napięć symetrycznych
9
a)
b)
Rys. 8. Uproszczone schematy stabilizatorów napięć ujemnych:
a) rodzina 7900,
U
U
R
R
REF
0
2
1
1
= −
+
; b) rodzina 377, U
U
R
R
REF
0
1
2
1
= −
+
Zastąpienie w stopniu wyjściowym, w stabilizatorach napięć dodatnich, układu Darlingtona
(U
BE1,2
≈
1.6V) układem pracującym ze wspólnym emiterem (U
BE
≈
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.
Ź
ródłem 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.
Widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego scalonych stabilizatorów napięcia
przedstawiony jest na rys. 9.
10
TRÓJKO
Ń
CÓWKOWE STABILIZATORY NAPI
Ę
CIA
IN
IN
OUT
OUT
5 10 30
5 10 30
5 20 50
5 20 50
240
240
5k
5k
1000
µ
F 0,22
µ
F 0,1
µ
F
1000
µ
F 0,22
µ
F 0,1
µ
F
+
_
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.
Przykładowy dystrybutor:
http://www.elfa.se
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 C
I
i wyjściowego C
0
. 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.
11
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: I
0
=0.25 A,
∆
U
=2.5 V,
∆
U
D
=0.7 V.
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 C
I
i wyjściowego C
0
.
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 I
0
=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 I
0
=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
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;
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 z przeprowadzonych pomiarów.
14. Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i ppoż,
obowiązującą w laboratorium oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych.
Literatura:
1.
P. Horowitz, W. Hill. Sztuka elektroniki. WKiŁ, Warszawa, 2006.
2.
U. Tietze, Ch. Schenk. Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 2009.
Będę niezmiernie wdzięczny za wszelkie propozycje zmian przesłane na adres
dawid@pb.edu.pl
, w celu udoskonalenia
niniejszego opracowania.
dr hab. inż. Jakub Dawidziuk, prof. PB