1. przeznaczenie stabilizatorów napięcia i ich najważniejsze
advertisement
Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych 1. PRZEZNACZENIE STABILIZATORÓW NAJWAŻNIEJSZE PARAMETRY 1 NAPIĘCIA I ICH Stabilizator napięcia stałego powinien być źródłem napięcia o możliwie mało zmieniającej się wartości w różnych warunkach obciążenia, niezbędnego do zasilania innych układów elektronicznych. Podstawową funkcją stabilizatora jest zmniejszenie oddziaływania czynników zewnętrznych i wewnętrznych na wartość napięcia wyjściowego. Poniżej podano podstawowe parametry stabilizatora napięcia oraz typowe warunki oraz sposób ich pomiaru. NOMINALNE PARAMETRY STABILIZATORÓW NAPIĘCIA Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze Sytuacja, w której z wyjścia stabilizatora jest pobierany prąd I O > IOMAX nazywa się przeciążeniem stabilizatora a sytuacja gdy IO < IOMIN to jego niedociążenie. Zarówno w sytuacji przeciążenia, jak i niedociążenia stabilizator, w zależności od jego konstrukcji, może się zachowywać różnie. Niektóre stabilizatory w stanie przeciążenia lub niedociążenia "tylko" nie zapewniają na swoim wyjściu oczekiwanego napięcia, inne mogą nawet ulec uszkodzeniu. Aby temu zapobiec, często stosuje się specjalne zabiegi, które chronią stabilizator przed zniszczeniem przy obciążeniu prądem innym, niż z prąd nominalnego zakresu IOMIN ... IOMAX. Zakres prądów obciążenia powinien być zawsze określany dla najgorszej sytuacji. Najczęściej jest tak wtedy, kiedy napięcie na wejściu stabilizatora jest najmniejsze z zakładanego przedziału, czyli gdy jest równe UWEMIN. Zakres napięć wejściowych Nominalne napięcie wyjściowe EWY Jako nominalne napięcie wyjściowe stabilizatora przyjmuje się napięcie mierzone na wyjściu układu przy ustalonej wartości prądu obciążenia. Najczęściej jest to brak obciążenia, czyli sytuacja, gdy prąd obciążenia stabilizatora IO = 0. EWY =U WY I 0=0 W rzeczywistości napięcie na wyjściu stabilizatora nie jest jednak ściśle określone i w rzeczywistych układach zależy od napięcia na jego wejściu, prądu obciążenia, temperatury otoczenia, a także od czasu. W dalszych rozważaniach zostaną pominięte zależności napięcia wyjściowego od temperatury oraz od czasu, ale należy pamiętać, że w niektórych warunkach te zależności mogą być bardzo istotne (tak jest np. dla precyzyjnych źródeł napięć odniesienia w woltomierzach cyfrowych). Podobnie jak dla zakresu prądów obciążenia, określa się zakres napięć UWEMIN … UWEMAX na wejściu stabilizatora, przy których powinien on pracować poprawnie. Przekroczenie tego zakresu nie musi od razu oznaczać zniszczenia układu, ale napięcie na jego wyjściu może wtedy nie odpowiadać założonemu. Należy tu zaznaczyć, że zakres napięć wejściowych, dla których stabilizator działa poprawnie, należy zawsze określać dla największej przewidywanej wartości prądu, która może być pobierana z wyjścia (czyli dla IOMAX). Z przedstawionych powyżej rozważań można więc wysnuć ważny wniosek: najczęściej najbardziej niekorzystnymi warunkami pracy stabilizatora napięcia jest kombinacja UWEMIN i IOMAX, a więc to dla niej należy projektować układ. Współczynnik stabilizacji napięcia SU Ten parametr określa wpływ zmian (wahań lub tętnień) napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe. Współczynnik stabilizacji to stosunek przyrostu napięcia wyjściowego, jaki pojawia się w odpowiedzi na przyrost napięcia na wejściu stabilizatora: U WY U WE Nominalny (projektowy) zakres prądów obciążenia SU= Każdy stabilizator napięcia jest projektowany tak, aby był w stanie dostarczyć do obciążenia pewien wymagany prąd IOMAX, przy napięciu wyjściowym UWY mieszczącym się w określonych granicach w stosunku do napięcia nominalnego EWY. Najczęściej stabilizatory są projektowane w taki sposób, aby można było zupełnie odłączyć od nich obciążenie, ale zdarzają się też rozwiązania, które dla poprawnego działania muszą być obciążone prądem nie mniejszym niż IOMIN. W literaturze można spotkać inne definicje tego parametru, jednak najrozsądniejsze wydaje się stosowanie definicji podanej wyżej (czyli "im mniej, tym lepiej"). Stabilizator idealny (niewrażliwy na zmiany napięcia na jego wejściu) ma współczynnik stabilizacji SU = 0. Ale, jako że w przyrodzie ideałów nie ma, rzeczywiste stabilizatory zawsze mają SU > 0. Bardzo proszę o zgłaszanie uwag dotyczących niniejszego tekstu do autora: Maciej Radtke, pok. 270, lub na adres: [email protected] 1 1 Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych Rezystancja wyjściowa rWY Im rezystancja wyjściowa stabilizatora jest mniejsza, tym jest on bliższy idealnemu źródłu napięciowemu, a więc "im mniejsze rWY, tym lepszy stabilizator". Ilustruje to rys. 1, na którym stabilizator jest przedstawiony jako układ zastępczy złożony z idealnego źródła napięciowego EWY i rezystancji wyjściowej rWY. rWY EWY Powtórzmy jeszcze raz: parametry input regulation i output regulation mówią tylko o uśrednionym w pewnym zakresie współczynniku stabilizacji oraz rezystancji wyjściowej i nie oddają lokalnych "zawirowań" (na przykład gwałtownego wzrostu rezystancji wyjściowej stabilizatora dla małych prądów obciążenia). Należy tu zwrócić uwagę na jeszcze jeden problem, jaki może się pojawić przy pomiarze rezystancji wyjściowej stabilizatora napięcia stałego. Jest nim wpływ temperatury na napięcie wyjściowe stabilizatora. Należy bowiem pamiętać, że w niektórych elementach stabilizatora napięcia może się wydzielać duża moc, która powoduje nagrzewanie tego elementu i zmianę jego parametrów. W skrajnym przypadku może się nawet zdarzyć tak, że zmiana napięcia wyjściowego stabilizatora powodowana zmianą temperatury będzie większa, niż zmiana napięcia wynikająca z niezerowej rezystancji wyjściowej stabilizatora. Przykładem stabilizatora, w którym to zjawisko występuje bardzo wyraźnie, jest prosty stabilizator z diodą Zenera. W takim przypadku pomiaru rezystancji wyjściowej i współczynnika stabilizacji należy dokonywać impulsowo, przy pomocy skokowo zmieniających się napięć wejściowych oraz prądów obciążenia. Pomiar statyczny nie oddaje bowiem rzeczywistych parametrów badanego stabilizatora, a jedynie dostarcza informację o tym, jak stabilizator zachowa się przy powolnych zmianach prądu obciążenia albo napięcia na jego wejściu. IO obciążenie UWY stabilizator W takim układzie definicja rWY jest następująca: Rys. 1: Schemat zastępczy wyjścia stabilizatora Δ U WY Δ IO | | r WY = Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze A więc napięcie na wyjściu stabilizatora obciążonego prądem IO jest równe: PARAMETRY GRANICZNE STABILIZATORÓW NAPIĘCIA U WY =EWY −I O⋅r WY Oprócz parametrów nominalnych definiuje się także tzw. parametry graniczne. Mówią one o tym, w jakich warunkach (zasilania, prądu obciążenia) stabilizator przestaje pracować poprawnie albo wręcz ulega zniszczeniu (to drugie ograniczenie jest w katalogach opisywane jako absolute maximum ratings) Oczywiście dla IO = 0, UWY = EWY Pomiary SU i rWY Minimalne (UWE(MIN)) i maksymalne (UWE(MAX)) napięcie wejściowe Formalnie rWY i SU są wielkościami różniczkowymi, czyli stycznymi do charakterystyk UWY(UWE) i UWY(IO) - a więc zdefiniowanymi dla bardzo małych przyrostów mierzonych wielkości. Jednak bardzo często oba parametry są tak małe, że pomiar niewielkich zmian napięcia wyjściowego dla małych zmian UWE albo IO jest bardzo trudny lub wręcz niemożliwy. Wtedy mierzy się zmianę napięcia wyjściowego dla dużych zmian U WE i IO, a następnie określa się SU i rWY wielkoprzyrostowo. W ten sposób uzyskuje się co prawda dane uśrednione, ale i tak są one lepsze niż żadne, albo obarczone błędem na poziomie np. kilkudziesięciu procent. W katalogowych opisach gotowych stabilizatorów często znajdziemy też następujące parametry: input regulation - jest to zmiana napięcia na wyjściu przy zmianie UWE o np. kilka woltów, output regulation - jest to zmiana napięcia wyjściowego przy zmianie prądu obciążenia od IO = 0 np. do wartości maksymalnej (lub innej, określonej w katalogu). 2 Napięcie UWE(MIN) to najmniejsze napięcie wejściowe, przy którym stabilizator może jeszcze poprawnie działać. Aby taka definicja była jednoznaczna, należy ustalić kryterium poprawnego działania. Najczęściej jest to możliwość uzyskania napięcia U WY z określoną dokładnością (np. z błędem mniejszym niż <ileś> %)2. Oprócz parametru UWE(MIN) bardzo często podaje się napięcie U DR (drop-out voltage), czyli minimalne napięcie między wejściem a wyjściem stabilizatora, przy którym pracuje on zgodnie z założeniami. Na ogół uważa się, że im mniejsza wartość U DR tym stabilizator jest lepszy, gdyż przekłada się to na możliwość wydzielania mniejszej mocy w jego Z praktycznego punktu widzenia najsensowniejsze jest określanie U WE(MIN) i UDR dla maksymalnego założonego prądu IOMAX, jaki będzie pobierany z wyjścia – bo przecież zadaniem stabilizatora jest utrzymanie przewidywanego (projektowego) napięcia wyjściowego nawet w najgorszych warunkach, a więc także w takich, kiedy będzie on najbardziej obciążony. 2 Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych elementach (co oznacza większą sprawność energetyczną układu), oraz na większy dopuszczalny zakres zmian napięcia wejściowego. Oba parametry (UWE(MIN) i UDR) nie są tożsame ani bezpośrednio wzajemnie wymienne. Można sobie wyobrazić stabilizator, który co prawda jeszcze działa poprawnie przy bardzo niewielkiej różnicy napięć pomiędzy swoim wejściem i wyjściem (np. 1 V), ale i tak przestaje działać, gdy napięcie na jego wejściu spadnie poniżej pewnej bezwzględnej wartości (np. 10 V). Pomimo małej wartości UDR, na wyjściu takiego stabilizatora nie da się uzyskać napięcia np. 5 V przy napięciu wejściowym 6 V, bowiem do wejścia tego stabilizatora zawsze trzeba doprowadzić co najmniej 10 V. A więc opisanych warunkach realny drop-out opisanego stabilizatora to już nie 1V, a aż 5V. Z kolei, jeśli zechcemy w tym samym układzie uzyskać napięcie wyjściowe U O = 11 V, wystarczy go zasilić napięciem wejściowym UWE = 12 V. Napięcie UWE(MAX) to jest najczęściej napięcie, powyżej którego stabilizator może ulec uszkodzeniu. Maksymalny dopuszczalny prąd wyjściowy obciążenia IO(MAX) Prąd, jakim zostanie obciążony stabilizator, nie może być dowolnie duży. Nadmierne obciążenie stabilizatora może mieć rozmaite skutki, w zależności od jego konstrukcji. Na przykład po przekroczeniu IO(MAX) prosty układ z diodą Zenera i opornikiem przestanie poprawnie stabilizować, ale nie nastąpi uszkodzenie diody (może natomiast ulec uszkodzeniu opornik zasilający diodę). W takim stabilizatorze za I O(MAX) uznaje się taki prąd IO, powyżej którego układ nie wytwarza na wyjściu pożądanego napięcia albo następuje gwałtowne pogorszenie współczynnika stabilizacji lub zwiększenie rezystancji wyjściowej. Można też spojrzeć inaczej i powiedzieć, że I O(MAX) to taki prąd, powyżej którego gwałtownie wzrasta rezystancja wyjściowa stabilizatora. W innych stabilizatorach przekroczenie prądu IO(MAX) grozi zniszczeniem któregoś z jego elementów (tak jest np. dla najprostszych stabilizatorów z wtórnikiem emiterowym). Dla takich układów za I O(MAX) przyjmujemy największą wartość prądu, dla którego stabilizator może pracować bez narażenia na zniszczenie któregokolwiek z elementów (ale oczywiście i tak zawsze musi być spełniony warunek podstawowy: stabilizator musi spełniać nałożone wymagania – w najgorszej sytuacji dostarczać do obciążenia co najmniej wymagany prąd I OMAX, oczywiście przy zachowaniu założonego napięcia wyjściowego). 3 Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych 2. OPISY PODSTAWOWYCH UKŁADÓW STABILIZATORÓW NAPIĘCIA Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze najmniejsze przewidywane napięcie zasilania U WEMIN, napięcie nominalne diody UZN i największy przewidywany prąd obciążenia stabilizatora IOMAX, to rezystancja opornika R1 musi spełniać warunek: 2. 1. Stabilizator z diodą Zenera Najprostszy układ stabilizatora z diodą Zenera przedstawiono na rys. 2. Obciążenie jest zasilane przez opornik R 1 oraz, dołączoną równolegle do obciążenia, diodę Zenera DZ. W stabilizatorze wykorzystuje się to, że napięcie przebicia diody Zenera UZN mało zależy od prądu płynącego przez diodę Zenera (rys. 3). Przy zmianach napięcia UWE bądź prądu IO Rys. 2: Stabilizator z diodą Zenera zmienia się prąd diody IZ, a jednocześnie napięcie UWY pozostaje prawie stałe i bliskie napięciu przebicia diody UZN3. Podstawowe parametry tego typu stabilizatora zależą przede wszystkim od właściwości diody (np. UWY ≈ UZN). Należy jednak pamiętać, że diody Zenera mają określone rozrzuty parametrów. Tolerancja napięcia przebicia najbardziej typowych diod Zenera, oznaczonych literą C, jest równa 5%. Minimalny prąd diody Zenera R1≤R1 MAX = U WEMIN −U ZN I ZN + I OMAX Współczynnik stabilizacji SU Współczynnik stabilizacji układu z diodą Zenera rWY IO R1 określają własności zastosowanej diody. Schemat zastępczy układu z prostym liniowym modelem diody Zenera (oczywiście słusznym tylko w zakresie przebicia) jest pokazany na rys. 4. Źródło rDZ UWE UWY napięciowe UZN0 odtwarza napięcie nominalne diody Zenera, a rezystor rDZ - rezystancję dynamiczną tej UZN0 diody. Jeśli napięcie na wejściu układu zmieni się DZ1 o ΔUWE, a prąd IO się prawie nie zmieni (czyli założymy, że przyrost napięcia wejściowego jest mały), U ZN 0 U ZN I ZN rDZ to na wyjściu zaobserwujemy następującą zmianę Rys. 4: Schemat zastępczy układu napięcia: z diodą Zenera r Δ U WY =Δ U WE⋅ DZ r DZ + R 1 Przewodzenie Producenci diod Zenera podają w katalogach minimalny prąd potrzebny do ID Przebicie poprawnej stabilizacji napięcia, nazywany Zatkanie prądem nominalnym IZN. Przy tym prądzie UZN mierzy się nominalne napięcie stabilizacji UD UZN oraz rezystancję dynamiczną diody rDZ. IZN IZN należy więc rozumieć jako taką wartość prądu przepływającego przez przebitą diodę Zenera, poniżej której producent nie bierze odpowiedzialności ani za napięcie stabilizacji, ani za rezystancję diody. Dla większości diod Zenera małej mocy za prąd nominalny przyjmuje się prąd IZN = 5 mA, tak jest też w przypadku IDMAX diod używanych w ćwiczeniu. PDMAX Ze sposobu określenia prądu IZN wynika sposób projektowania stabilizatora Rys. 3: Charakterystyka diody Zenera z diodą Zenera. Jeśli są znane dane: Stąd można obliczyć współczynnik stabilizacji SU układu z diodą Zenera, który jest równy: Zakres stabilizacji SU= Δ U WY r = DZ ΔU WE r DZ + R1 Należy przy tym pamiętać, że rezystancja dynamiczna r DZ jest podawana w katalogach producentów diod Zenera dla prądu nominalnego (5 mA). Przy większym prądzie rezystancja rDZ maleje, a więc współczynnik stabilizacji ulega poprawie. Typowa wartość rezystancji rDZ wynosi od kilku do kilkudziesięciu omów, jednak może mieć ona bardzo duży rozrzut pomiędzy poszczególnymi egzemplarzami diod (rozrzut r DZ może sięgać nawet kilkudziesięciu procent). Przy UWE < UZN dioda nie ulega przebiciu i napięcie na wyjściu nie jest równe UZN! 3 4 Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze temperaturowe, powoduje to termiczną – a więc o dość długim czasie ustalania się – zmianę napięcia UZN. Rezystancja wyjściowa rWY układu z diodą Zenera Z rys. 4 wynika, że rezystancja wyjściowa, "widziana" od strony napięcia U WY, to: 2. 2 Stabilizator z wtórnikiem emiterowym r WY =R1‖r DZ Warto jeszcze raz podkreślić, że obliczenie rWY, takie, jak w powyższym równaniu, jest sensowne tylko wtedy, gdy dioda Zenera jest w stanie przebicia. Gdy dioda nie przewodzi prądu, jej rezystancja jest bardzo duża i wówczas rezystancja wyjściowa układu jest równa R1. Najczęściej jest ona wtedy zbyt duża w stosunku do potrzeb zasilanego obwodu. W przypadku współczesnych diod najczęściej rezystancja R1 jest wyraźnie większa od rDZ, dlatego oporność wyjściowa poprawnie działającego stabilizatora z diodą Zenera jest zwykle bliska rezystancji rDZ. Dopuszczalny prąd maksymalny diody Zenera Producenci diod Zenera nie podają w danych katalogowych dopuszczalnego prądu maksymalnego diody, natomiast w zamian podają maksymalną dopuszczalną moc strat w diodzie. Dlatego maksymalną wartość prądu konkretnej diody należy obliczyć jako iloraz dopuszczalnej mocy strat i napięcia przebicia diody. Na przykład dla diody BZX55-C6V2 o napięciu UZN = 6,2 V i podanej w katalogu mocy dopuszczalnej PMAX = 0,5 W, maksymalna wartość prądu diody Zenera jest równa4: I DMAX≈ P MAX /U ZN =0,5 W / 6,2 V =80,5 mA W tym układzie: I B 1= Przy projektowaniu stabilizatora prąd IDMAX rzutuje na najmniejszą wartość R1, która może być użyta bez obawy o zniszczenie diody. Oczywiście należy ją obliczać dla największej przewidywanej wartości napięcia wejściowego U WEMAX i dla przewidywanego najmniejszego prądu IOMIN, jaki będzie pobierany z wyjścia projektowanego stabilizatora5: R1≥R1 MIN = Prosty stabilizator z diodą Zenera bywa uzupełniany wtórnikiem emiterowym (rys. 5). Dzięki zastosowaniu wtórnika wyraźnie wzrasta obciążalność układu, czyli największy prąd IO, jaki można z niego pobrać. Wtórnik emiterowy niejako "odciąża" diodę Zenera, a prąd do wyjścia stabilizatora płynie - przez tranzystor - głównie ze źródła napięcia wejściowego. Rys. 5: Stabilizator z wtórnikiem emiterowym U WEMAX −U ZN I DMAX + I OMIN Przy tej okazji warto wspomnieć, że gdy prąd płynący przez diodę rośnie, wzrasta również jej temperatura. Ponieważ diody Zenera mają niezerowe współczynniki 4 Ze względu na występowanie rezystancji szeregowej diody r DZ, na której przy większych prądach IDZ odkłada się znaczące napięcie (dla dużych prądów I DZ napięcie na diodzie Zenera jest większe od nominalnego), dopuszczalny prąd I DZMAX jest tak naprawdę mniejszy od wyżej wyliczonego (dlatego w wyrażeniu został użyty znak ≈). 5 W takich warunkach przez diodę Zenera przepływa największy prąd. Najczęściej przyjmuje się, że IOMIN = 0. 5 I E1 I O+ I R E I O+ I R E = ≈ β β1 +1 β1+1 1 oraz, jeśli zostaną zaniedbane ewentualne zmiany napięcia UWE: I B 1+ I Z =I R 2≈const . a więc zwiększenie prądu obciążenia IO powoduje w przybliżeniu zmniejszenie prądu diody Zenera DZ1 tylko o tyle, o ile wzrasta prąd bazy I B1 tranzystora T1. Pozwala to na użycie opornika R2 o większej rezystancji niż rezystancja opornika R 1 w poprzednim układzie z diodą Zenera (dla takiego samego przewidywanego zakresu prądów obciążenia). Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych Napięcie wyjściowe stabilizatora z wtórnikiem emiterowym jest równe 6: Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze układu z diodą Zenera. Jednak w tym układzie prąd obciążenia jest pobierany poprzez tranzystor wprost z zasilania i dzięki temu obwód diody Zenera może być odciążony. Można więc, przy takim samym jak w najprostszym układzie z diodą Zenera prądzie I OMAX), zastosować opornik R2 o wyraźnie większej rezystancji i w ten sposób wydatnie poprawić współczynnik stabilizacji. U WY =U ZN −U BEP 1 Rezystancja wyjściowa stabilizatora z wtórnikiem emiterowym Na rezystancję wyjściową wtórnika emiterowego składają się: przetransformowana oporność obwodu dołączonego do bazy wtórnika oraz oporność wyjściowa samego tranzystora, czyli rezystancja oznaczana w modelu tranzystora jako r eb’ (reb’ = ΦT / IE): r WY =r eb ' + r DZ‖R 2 r DZ ≈r eb' + β1 β1 Dla małych prądów emitera oporność reb' może być dużo większa od rDZ/β, więc aby uniknąć dużych wartości rWY, dla małych prądów obciążenia stosuje się zwykle "dociążający" opornik RE. Użycie opornika RE sprawia, że prąd emitera płynie nawet wtedy, gdy do obciążenia nie płynie żaden prąd, albo gdy ten prąd jest znikomo mały. Dzięki temu oporność wyjściowa rWY nigdy nie przyjmuje bardzo dużych wartości7. Reasumując, można zauważyć, że jeśli prąd emitera jest mały, w rezystancji wyjściowej stabilizatora z wtórnikiem najczęściej dominuje wpływ oporności r eb', natomiast dla dużych prądów wyjściowych znaczenie r eb' maleje i decydujące znaczenie zaczyna mieć przetransformowana oporność obwodu bazy8. Zalety, wady i zastosowania układu z wtórnikiem emiterowym Niewątpliwymi zaletami układu z wtórnikiem są: prostota i możliwość obciążania go stosunkowo dużym prądem (w porównaniu z najprostszym układem z diodą Zenera). Wady stabilizatora z wtórnikiem emiterowym to: możliwość uszkodzenia tranzystora przy nadmiernym obciążeniu oraz zbyt duża dla niektórych zastosowań rezystancja wyjściowa (nawet przy zapewnieniu wstępnego prądu IRE). Dodatkową wadą stabilizatora z wtórnikiem emiterowym może być też dość znaczny drop-out układu, wynikający z samej zasady działania obwodu z diodą Zenera. Stabilizacja napięcia w układzie z wtórnikiem emiterowym jest przeciętna, podobna jak w przypadku poprzedniego stabilizatora. Istnieje jednak możliwość jej poprawy poprzez użycie większej wartości opornika R2. Układ z wtórnikiem jest dość często stosowany do zasilania takich układów, które dobrze tolerują niezbyt dokładne napięcie zasilające. Sprawdza się w zakresie małych i średnich prądów - najczęściej wtedy, gdy prąd obciążenia nie przekracza kilkuset mA. 2.3. Stabilizator z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego Współczynnik stabilizacji Łatwo zauważyć, że wpływ zmian napięcia wejściowego U WE na obwód z diodą Zenera i z wtórnikiem emiterowym jest taki sam, jak w układzie poprzednim. S U układu z wtórnikiem emiterowym można opisać wzorem takim samym jak dla najprostszego Warto tu przypomnieć, że napięcie UBEP, które w układach pracujących przy niewielkich prądach jest często przybliżane jako 0,7 V, w rzeczywistości nie ma ono stałej wartości i zmienia się wraz z prądem płynącym przez emiter tranzystora. W układach zasilających jest to o tyle istotne, że zmiany prądu emitera tranzystora użytego jako wtórnik emiterowy są nierzadko ogromne - np. od 0 do kilku amperów. U BEP może się więc zmieniać od prawie zera do nawet pojedynczych woltów! 7 Formalnie w skład rezystancji wyjściowej wchodzi też opornik R E, ale jego rezystancja jest prawie zawsze dużo większa niż rezystancja pozostałych składników i może być pominięta. 8 W przypadku obciążenia tego typu stabilizatora bardzo dużym prądem I O, na rezystancję wyjściową ma również wpływ rezystancja rozproszona bazy tranzystora r bb' (jest ona włączona w szereg z rDZ||R2), przetransformowana do obwodu emitera. W ćwiczeniu to zjawisko nie jest rozpatrywane. 6 6 Ten rodzaj stabilizatora, o uproszczonym schemacie pokazanym na rys. 6, umożliwia budowanie źródeł napięcia zasilającego o dużej dokładności i stabilności oraz o bardzo małej rezystancji wyjściowej 9, czyli o znikomej wrażliwości napięcia wyjściowego na wartość prądu pobieranego z wyjścia zasilacza. Wzmacniacz błędu (wzmacniacz o wejściu różnicowym i sporym wzmocnieniu) "stara się" ustawić takie napięcie na bazie tranzystora T (wtórnika emiterowego), żeby różnica potencjałów pomiędzy jego wejściami była bliska zera, czyli by napięcie U na wejściu Rys. 6: Stabilizator ze szprzężeniem zwrotnym 9 Jeśli nie wiesz, dlaczego ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza rezystancję wyjściową, zapytaj krasnoludka Leona - dodatek. Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych odwracającym było bardzo bliskie napięciu referencyjnemu (odniesienia) U REF. W ten sposób napięcie wyjściowe jest równe: R +R U WY =U REF⋅ 1 2 R2 Jest to prawda przy założeniu, że wzmacniacz błędu jest idealny i nie pobiera na swoich wejściach żadnego prądu. W rzeczywistości tak nie jest 10, więc na wejściu nieodwracającym często stosuje się dodatkowy opornik zmniejszający znaczenie niezerowych prądów wejściowych. Ten opornik powinien mieć rezystancję R3 = R1||R2. Szczególnym przypadkiem jest sytuacja, kiedy opornika R 2 w ogóle nie ma, a R1 = 0 i wyjście stabilizatora jest dołączone bezpośrednio do odwracającego wejścia wzmacniacza błędu. Wtedy UWY = UREF. Jako źródło napięcia UREF bardzo rzadko stosuje się diody Zenera. Najczęściej są to rozbudowane układy, zapewniające dużą stabilność temperaturową napięcia odniesienia, a także jego odporność na zmiany napięcia zasilania (źródło odniesienia musi być zasilane z niestabilizowanego napięcia UWE). Ta odporność jest bardzo często głównym wyznacznikiem wartości współczynnika stabilizacji, przez co wyliczenie go przy pomocy prostych zależności jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Jeśli jednak zostanie zastosowana dioda Zenera, współczynnik stabilizacji jest identyczny, jak w poprzednich układach (przy „pełnym” sprzężeniu zwrotnym, gdy UO = UZ) albo wręcz gorszy (przy zastosowaniu oporników R1 i R2, czyli UO > UZ). 10 Wzmacniacze błędu w stabilizatorach napięcia często mają prądy wejściowe o wiele większe niż typowe wzmacniacze operacyjne. 7 Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych Dodatek: Krasnoludek Leon stosuje sprzężenie zwrotne i poprawia parametry stabilizatora Spójrzmy na rysunek: Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze w przybliżeniu stałe (UBEP), dokładnie o tyle samo podnosi się potencjał na "lewej końcówce" rezystancji rWY. W tym momencie mamy już komplet informacji o występujących w układzie zmianach i od opisu jakościowego możemy przejść do ilościowego: 1. Na "lewej końcówce" rWY potencjał wzrósł o K • ΔU (skutek działalności krasnoludka) 2. Na "prawej" końcówce rWY potencjał spadł o ΔUWY (skutek wzrostu prądu IO) 3. Zmiana potencjału na wejściu odwracającym wzmacniacza: ΔU = ΔUWY • R2 / (R1 + R2). 4. Napięcie, które pojawiło się na rWY, to różnica potencjałów na jej "lewej" (potencjał w górę) i "prawej" (potencjał w dół) końcówce, czyli ΔUrWY = K • ΔU + ΔUWY. 5. Ale też (z prawa Ohma): ΔUrWY = ΔIO • rWY14. Ufff... Podsumujmy, czyli zapiszmy układ równań, a następnie przekształćmy wzory: Przedstawia on sytuację, w której stabilizator napięcia o rezystancji wyjściowej r WY11 został objęty pętlą sprzężenia zwrotnego 12. Wewnątrz tzw. wzmacniacza błędu siedzi złośliwy krasnoludek Leon, który jest przekorny i działa na zasadzie "jak oni w dół, to ja w górę", i odwrotnie. Do kompletu złośliwość krasnoludka sprawia, że akcja nie jest równa reakcji i "jego w górę" jest K-krotnie (K to oczywiście współczynnik krasnoludka, zwany potocznie wzmocnieniem) większe, niż "ich w dół". Obserwuje więc nasz krasnoludek różnicę potencjałów (napięcie) pomiędzy zaciskami wejściowymi wzmacniacza błędu i zmienia potencjał na wyjściu tego wzmacniacza K razy silniej niż zaobserwowana zmiana na wejściu, a do tego w przeciwną stronę. Zobaczmy, jakie to ma skutki. Jeśli prąd pobierany z wyjścia stabilizatora zostanie nagle zwiększony o ΔIO, wywoła to pojawienie się spadku napięcia na rezystancji wyjściowej rWY. Nietrudno zauważyć, że skutkiem będzie spadek się napięcia U WY o pewną (na razie nieznaną) wartość, równą ΔUWY. Inaczej mówiąc, potencjał "prawej końcówki" oporności rWY spadnie o taką właśnie wartość. Potencjał odwracającego wejścia wzmacniacza błędu obniży się więc o wartość wynikającą z podziału ΔUWY w dzielniku napięciowym, czyli o ΔU = ΔUWY • R2 / (R1 + R2)13. A tę zmianę (spadek potencjału na wejściu odwracającym) obserwuje złośliwy Leon. Zauważa, że pomiędzy wejściami pojawiło się napięcie ΔU i w ramach swojej złośliwości podnosi potencjał na wyjściu wzmacniacza błędu o K • ΔU. Jako że napięcie na złączu baza - emiter tranzystora T jest Rezystancja rWY reprezentuje całkowitą rezystancję wyjściową stabilizatora, składająca się z reb' tranzystora, przetransformowanej rezystancji obwodu bazy i ewentualnie - o ile jest - rezystancji opornika w obwodzie zabezpieczenia nadprądowego. 12 Proszę zauważyć, że "wejście" do pętli jest umiejscowione ZA r WY! 11 Działania dzielnika napięciowego krasnoludek Leon chyba nie musi tłumaczyć?... 13 8 Δ U rWY =K⋅Δ U +Δ U WY Δ U rWY =Δ I O⋅r WY Δ U =Δ U WY⋅R2 /( R 1+ R 2) stąd: Δ I O⋅r WY =Δ U WY⋅K⋅R2 /(R 1+ R 2)+Δ U WY i w końcu: Δ I O⋅r WY =Δ U WY⋅(1+ K⋅ R2 ) R1 + R 2 Iloczyn współczynnika krasnoludka K i stopnia podziału napięcia w dzielniku R 1 - R2 jest nazywany wzmocnieniem w pętli sprzężenia zwrotnego i bywa oznaczany jako K • γ, gdzie γ = R2 / (R1 + R2). Z kolei nietrudno zauważyć, że stosunek ΔU WY do ΔIO to "nowa" rezystancja wyjściowa rWY' stabilizatora, zmodyfikowana przez działanie pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Tak jest przy założeniu, że do opornika R1 nie wpływa żaden prąd i cała zmiana prądu wyjściowego ΔIO "przenosi się" do rWY. W dobrze zaprojektowanych stabilizatorach, w których rezystancja wyjściowa jest na ogół o kilka rzędów wielkości mniejsza od R 1 i R2, takie założenie jest słuszne. 14 Instytut Systemów Elektronicznych PW - Laboratorium Układów i Systemów Elektronicznych Ostatecznie: r WY ' = r WY R2 1+ K⋅ R 1+ R 2 = r WY 1+ K⋅γ A więc pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego zmniejsza rezystancję wyjściową układu nią objętego mniej więcej tyle razy, ile wynosi wzmocnienie w tej pętli. Widać wyraźnie, że zmniejszenie rezystancji rWY jest tym większe, im większe jest wzmocnienie wzmacniacza błędu i im słabszy jest podział napięcia wyjściowego w dzielniku R 1 - R2. Efekt działania pętli będzie więc najsilniejszy wtedy, gdy R 1 = 0, R2 = ∞, albo jedno i drugie - czyli kiedy odwracające wejście wzmacniacza błędu jest połączone bezpośrednio z wyjściem stabilizatora. Tyle teoria. W rzeczywistości aż tak dobrze nie jest i z różnych powodów w konkretnych wykonaniach stabilizatorów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym redukcja rezystancji wyjściowej jest mniejsza, niż to wynika z ostatniego wzoru. Jednak ogólna opisana wyżej tendencja zostaje zachowana i stabilizator z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego ma o wiele mniejszą rWY, niż jego odpowiednik bez tej pętli. 9 Stabilizatory napięcia o pracy ciągłej - materiały pomocnicze
