trójkońcówkowe stabilizatory napięcia
advertisement
Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: UKŁADY ELEKTRONICZNE 2 (TZ1A500 034) TRÓJKOŃCÓWKOWE STABILIZATORY NAPIĘCIA BIAŁYSTOK 2006 TRÓJKOŃCÓWKOWE STABILIZATORY NAPIĘCIA 1. Wstęp Tematem ćwiczenia są podstawowe właściwości ciągłych stabilizatorów napięcia, a takŜe aplikacje wybranych, specjalizowanych układów scalonych. W tym przypadku, w odróŜnieniu od układów dyskretnych, zasadniczy cięŜar pracy projektowej spoczywa na konstruktorach układu scalonego. Zadanie uŜytkownika sprowadza się na ogół do umiejętnego i całościowego wykorzystania danych zawartych w katalogu. 2. Wprowadzenie Stabilizator napięcia jest elementem półprzewodnikowym słuŜącym do zasilania napięciem stałym układu elektronicznego lub innego obciąŜenia. Napięcie wyjściowe stabilizatora jest regulowane przez obwody wewnętrzne stabilizatora w taki sposób, aby było względnie niezaleŜne od prądu obciąŜenia, napięcia zasilającego (wejściowego) i temperatury otoczenia. Stabilizator napięcia moŜe 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. źródła napięcia odniesienia, wytwarzającego napięcie odniesienia niezaleŜnie 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 obciąŜenie. Rys. 1. Schemat blokowy stabilizatora napięcia (tranzystor mocy jest układem Darlingtona) Połączenie wzmacniacza róŜnicowego (często zwanego wzmacniaczem błędu lub wzmacniaczem porównującym) i szeregowego elementu regulacyjnego, razem z rezystancyjnym dzielnikiem napięcia wyjściowego, tworzy wzmacniacz ze sprzęŜeniem zwrotnym. 2 PoniewaŜ wartości prądów wpływających do wejść wzmacniacza błędu są bardzo małe, to ten sam prąd o wartości Uo /(R1+R2) płynie przez rezystory R1 i R2 . Ze względu na duŜe wzmocnienie wzmacniacza róŜnicowego, zmiana róŜnicy napięć między jego końcówkami wejściowymi o ułamek miliwolta powoduje pełną zmianę napięcia wyjściowego, w zakresie moŜliwych zmian tego napięcia. Dzięki działaniu sprzęŜenia zwrotnego napięcie na wejściu „-” będzie róŜnić się od napięcia odniesienia UREF zaledwie o kilka mikrowoltów. W układzie podstawowym z rys. 1 wzmacniacz z zamkniętą pętlą sprzęŜenia zwrotnego działa w taki sposób, aby utrzymać część napięcia wyjściowego przyłoŜoną do wejścia odwracającego wzmacniacza równą napięciu odniesienia przyłoŜonemu do wejścia nieodwracającego. Napięcie odniesienia (reference voltage) jest zatem równe U REF = U o R2 , R1 + R2 (1a) U o = U REF R1 + R2 R = U REF 1 + 1 . R2 R2 (1b) stąd napięcie wyjściowe Nie wnikając w moŜliwości praktyczne układów, regulacja napięcia wyjściowego stabilizatorów moŜe zachodzić przy zmianie rezystancji dzielnika R1 i R2 oraz napięcia odniesienia UREF. 3. Podstawowe parametry stabilizatorów napięcia Idealny stabilizator napięcia jest podobny do idealnego źródła napięciowego, gdyŜ jego napięcie wyjściowe jest całkowicie niezaleŜne od zmian prądu obciąŜenia lub, co jest równowaŜne, od impedancji obciąŜenia. W rzeczywistym stabilizatorze, podobnie jak w rzeczywistym źródle napięciowym, występuje pewna zaleŜność napięcia wyjściowego od obciąŜenia, czyli od prądu wyjściowego. PoniŜej podano definicje najwaŜniejszych parametrów, chociaŜ w zaleŜności od producenta, mogą występować pewne róŜnice 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 takŜe tolerancję tego napięcia. Często producenci podają tolerancję napięcia wyjściowego jako dopuszczalne odchylenie od wartości nominalnej spowodowane nie tylko rozrzutami produkcyjnymi, ale równieŜ zmianami napięcia wejściowego, prądu i temperatury. Nominalny prąd wyjściowy(output current rated) jest to maksymalna wartość prądu jakim moŜe być obciąŜony układ, przy załoŜeniu, Ŝe nie zostanie przekroczona jego dopuszczalna moc. Napięcie róŜnicowe wejście-wyjście (input-output voltage differential) jest podawana na ogół jako minimalna i maksymalna róŜnica między niestabilizowanym napięciem wejściowym i stabilizowanym napięciem wyjściowym. Minimalna wartość róŜnicy 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 róŜnicy między napięciem wejściowym i wyjściowym zaleŜy od parametrów zastosowanych elementów. Wartość ta jest zawsze podawana z zastrzeŜeniem nie przekroczenia dopuszczalnej mocy strat w stabilizatorze. 3 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 róŜnicowe wejście-wyjście. Maksymalna moc strat (maximum internal power dissipation) określa moc, która moŜe być rozproszona w stabilizatorze nie powodując jego uszkodzenia. Moc tę podaje się dla róŜnych 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 ∆U 0 U0 IR = 100%[%] ∆U I UI (2) i określający, ile procent stanowią zmiany napięcia wyjściowego w odniesieniu do zmian napięcia wejściowego. Współczynnik IR jest definiowany równieŜ jako procentowa zmiana stabilizowanego napięcia wyjściowego przy zmianie napięcia wejściowego w określonych granicach IR = ∆U 0 100%[% / V ] , (2a) U 0U I gdzie: ∆U 0 jest zmianą napięcia U0 przy zmianie napięcia wejściowego o wartość ∆U I . W uŜyciu są obie definicje, dlatego przy ocenie parametrów katalogowych stabilizatora naleŜy 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 wyraŜany zwykle w decybelach jako RR = 20 log U 0t U It [dB] . (3) Niestabilność napięcia wyjściowego przy zmianach prądu obciąŜenia (load regulation) określa się zmianą napięcia wyjścia odpowiadającą zmianie prądu obciąŜenia i jest podawana w mV lub % Uo. Jako parametr równowaŜny, moŜe 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 uŜyty ze względu na przyjęty dodatni kierunek prądu I0, wzrost pądu I0 prowadzi do zmniejszenia napięcia U0. Zatem znak minus zapewnia, Ŝe 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 (przewaŜnie 0). Prąd spoczynkow y(standby current drain) jest to prąd niezbędny do poprawnej pracy układów wewnętrznych stabilizatora, przy prądzie wyjściowym równym 0. Prąd ten zaleŜy od wartości napięcia wejściowego stabilizatora. Zakres temperatury pracy (operating tempetature range) jest maksymalną i minimalną temperaturą w jakiej moŜe 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 %Uo /o C. 4 Niestabilność długoczasowa (long term stability) określa zmianę napięcia wyjściowego po długim okresie pracy lub przechowywana i jest podawana jest w mV/1000h lub %Uo/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 wyraŜa się wzorem P η= o = PI Po . Po + Pstab (5) Sprawność stabilizatorów o działaniu ciągłym wynosi od 30 do 60%. WyŜszą sprawność posiadają stabilizatory impulsowe. 4. Stabilizatory trójkońcówkowe o ustalonym napięciu wyjściowym Oprócz stabilizatorów do zastosowań specjalnych moŜna wyróŜnić 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 źródła napięcia odniesienia układy Rys. 2. Uproszczony schemat scalonego stabilizatora tranzystor mocy (obszar zabezpieczające napięcia serii 7800 bezpiecznej pracy, temperaturę struktury i prąd R 0.6V wyjściowy) przed uszkodzeniem. Układ U 0 = U REF 1 + 2 , I 0 max = R3 R 1 ograniczenia prądu wyjściowego kontroluje spadek napięcia na rezystorze R3 słuŜącym do pomiaru prądu. Wartość napięcia wyjściowego, zaleŜna od UREF, R1 i R2, jest ustalona w czasie procesu produkcyjnego, dlatego teŜ nie wymagają one zewnętrznych połączeń do realizacji sprzęŜenia 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 moŜe być równa 5, 6, 8, 10, 5 12, 15, 18 lub 24V. Na rys. 3 pokazano w jaki sposób moŜna 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. JednakŜe zastosowanie właściwego kondensatora, np. 0.1µF, poprawia działanie stabilizatora przy szybkich zmianach obciąŜenia, a takŜe 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 róŜni się od przedstawionego wyŜej (oczywiście napięcie wejściowe musi być ujemne). Przykładami innych stabilizatorów tego samego rodzaju są stabilizatory z rodzin LM 320 i LM 340. Stabilizatory naleŜące do rodziny 7800 (7900) mogą być obciąŜone prądem do 1A oraz mają wbudowane układy zabezpieczeń nadprądowych i temperaturowych. JeŜeli powstaje niebezpieczeństwo, układ wyłącza się, a nie przepala, jak bezpiecznik. W przypadku zbyt duŜych wartości róŜnicy napięć wejściowego i wyjściowego, układy zawarte w strukturze układu scalonego zapobiegają wyjściu tranzystora szeregowego z obszaru pracy bezpiecznej. Cena i łatwość uŜycia tych stabilizatorów zmieniły praktykę projektowania systemów, kiedy dany system jest zbiorem wielu osobnych płytek drukowanych. Do kaŜdej z płytek doprowadza się napięcie niestabilizowane, a stabilizacji napięcia dokonuje się lokalnie na kaŜdej płytce. 5. Regulacja napięcia wyjściowego w stabilizatorach trójkońcówkowych Mimo Ŝe 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 Ustab. Prąd płynący przez rezystor R1 jest równy Ustab/R1, a prąd płynący przez R2 jest sumą prądu rezystora R1 i prądu spoczynkowego stabilizatora IQ. Napięcie wyjściowe jest równe sumie napięcia na rezystorze R2 i napięcia Ustab. Spadek napięcia na rezystorze R2 określa zaleŜność U U R 2 = stab + I Q R2 R2 . (6a) Rys. 4. Stabilizator R1 trójkońcówkowy w układzie z Stąd, napięcie wyjściowe jest równe moŜliwością regulacji napięcia R wyjściowego U o = U stab + U R 2 = U stab 1 + 2 + I Q R2 . (6b) R1 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 obciąŜenia. Zmiany prądu spoczynkowego pogarszają parametry stabilizatora, zwłaszcza współczynniki stabilizacji od zmian napięcia wejściowego i prądu obciąŜenia. NaleŜy uŜyć rezystora R2 o małej wartości, wybrać stabilizator z małym prądem spoczynkowym i mało zaleŜnym od prądu obciąŜenia. Prąd spoczynkowy zmienia się wraz ze zmianami temperatury. RównieŜ w 6 tym przypadku waŜny jest wybór małej wartości R2. Dla utrzymania określonego napięcia wyjściowego naleŜy równieŜ zmniejszyć R1, co zwiększa prąd płynący przez R1 i R2, a w rezultacie maleje maksymalny prąd wyjściowy moŜliwy do uzyskania ze stabilizatora. Pozbawione wyŜej 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, Ŝe 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 R2 występuje spadek napięcia równy UREF. RóŜnica napięć wejściowych wzmacniacza operacyjnego jest wtedy równa zeru. Wyjście stabilizatora nie moŜe pozostać bez obciąŜenia, poniewaŜ nie miałby wtedy którędy płynąć prąd zasilania wzmacniacza błędu. Z tego powodu celowy jest dobór małych rezystancji dzielnika napięcia R1, R2. b) a) Rys. 5. Nastawny stabilizator napięcia z trzema wyprowadzeniami serii 317: a) schemat blokowy; b) stabilizator w R układzie regulacji napięcia wyjściowego U 0 = U REF 1 + 1 , U REF = 125 . V R2 Na rys. 5b pokazano najprostszy układ aplikacyjny stabilizatora 317. Potencjał na końcówce regulacji napięcia, w czasie normalnej pracy stabilizatora, jest zawsze o 1.25V niŜszy od potencjału końcówki wyjściowej stabilizatora. Stabilizator wymusza na rezystorze R2 napięcie 1.25V. Przez rezystor R2 płynie prąd I2=1.25/R2=5.2mA. PoniewaŜ przez wyprowadzenie regulacji napięcia płynie prąd o bardzo małej wartości (50 - 100µA), który nie moŜe w znaczący sposób zmienić wartości spadku napięcia na rezystancji R2, to napięcie wyjściowe stabilizatora moŜna wyznaczyć z zaleŜności R 125 . U o = 125 . + R1 = 125 . 1 + 1 . (7) R2 R2 7 W układzie przedstawionym na rysunku wartość napięcia wyjściowego moŜe być regulowana od 1.25V do około 27V. JeŜeli stabilizator ma dostarczać napięcie o ustalonej wartości, to R1 wybiera się tak, aby zakres regulacji jego rezystancji był niewielki, co znacząco poprawia rozdzielczość regulacji (zamiast potencjometru R1 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, moŜna budować precyzyjne stabilizatory napięcia regulowanego z minimalną liczbą elementów zewnętrznych. Stabilizator 317 jest umieszczany w rozmaitych obudowach: w plastykowej obudowie duŜej mocy, w metalowej duŜej mocy oraz małej obudowie tranzystorowej. PoniewaŜ Ŝadne z jego wyprowadzeń nie jest dołączone do masy, moŜe być stosowany on w układach stabilizatorów wysokonapięciowych. NaleŜy zwracać uwagę, aby róŜnica 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 moŜna stabilizować równieŜ ujemne napięcia, jeŜeli dysponujemy nieuziemionym Rys. 6. Stabilizator napięcia dodatniego: a) w układzie stabilizacji napięcia ujemnego, b) układ z błędnym podłączeniem masy, stabilizator nie będzie działał źródłem napięcia wejściowego, rys. 6a. Układ nie będzie działał, rys. 6b, jeŜeli będzie uziemiony jeden z zacisków źródła napięcia niestabilizowanego, poniewaŜ 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 Rys. 7. Stabilizacja napięć symetrycznych mocy pracuje w układzie ze wspólnym emiterem, poniewaŜ 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. 8 a) b) Rys. 8. Uproszczone schematy stabilizatorów napięć ujemnych: R R a) rodzina 7900, U 0 = −U REF 1 + 2 ; b) rodzina 377, U 0 = −U REF 1 + 1 R1 R2 Zastąpienie w stopniu wyjściowym, w stabilizatorach napięć dodatnich, układu Darlingtona (UBE1,2 ≈1.6V) układem pracującym ze wspólnym emiterem (UBE ≈ 0.7V), w stabilizatorach napięć ujemnych, powoduje znaczne zmniejszenie róŜnicowego napięcia wejście-wyjście w odniesieniu do odpowiadających im stabilizatorów napięć dodatnich. 8. Scalone stabilizatory napięć symetrycznych Podobnie jak stabilizatory napięć pojedynczych, równieŜ 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 takŜe 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. Źródłem 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 naleŜy posłuŜyć się jednym z uzwojeń wtórnych transformatora. Widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego scalonych stabilizatorów napięcia przedstawiony jest na rys. 9. 9 TRÓJKOŃCÓWKOWE STABILIZATORY NAPIĘCIA + IN OUT 240 1000µF 0,22µF 5 10 30 5 20 50 5 10 30 5 20 50 0,1µF 5k 1000µF 0,22µF 0,1µF 5k 240 IN OUT _ 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 moŜliwości aplikacyjnych stabilizatorów moŜna 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 pobliŜu stabilizatora kondensatorów wejściowego CI i wyjściowego C0. Wartości pojemności tych kondensatorów powinny być zgodne z zaleceniami producenta. 3. Dołącz do schematu przyrządy pomiarowe, które chciałbyś uŜyć do weryfikacji eksperymentalnej obliczeń. Zaznacz równieŜ jaką wartość będziesz mierzyć danym miernikiem. 10 4. Dla układu mostkowego z filtrem kondensatorowym, oblicz napięcie transformatora i minimalną pojemność kondensatora, aby filtrowane napięcie nigdy nie stało się niŜsze niŜ minimalne napięcie stabilizacji. Do obliczeń przyjmij: I0=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. JeŜeli się zgadza bilans, moŜesz przejść do następnej łamigłówki. Poprzednie doświadczenia pomogą Ci wykonać podobne zadanie duŜo szybciej. 7. Wykonaj punkty 1-6 ze stabilizatorem serii 7900. Zwróć uwagę na napięcie róŜnicowe wejście-wyjście stabilizatorów napięć ujemnych w odniesieniu do stabilizatorów napięć dodatnich. Do obliczeń przyjmij odpowiednią wartość ∆U . JeŜeli i ten bilans napięć nie przeczy prawu Kirchhoffa, moŜesz 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 pobliŜu stabilizatora kondensatorów wejściowego CI i wyjściowego C0. Wartości pojemności tych kondensatorów powinny być zgodne z zaleceniami producenta. 11. Obserwacje i pomiary 1. Sprawdź, czy przy załoŜonych wartościach napięcia wejściowego, pojemności kondensatora filtrującego i prądu obciąŜenia, nienastawne stabilizatory napięcia dodatniego i ujemnego pracują poprawnie (jeśli nie - naleŜy poprawić projekt). Wyznaczyć napięcie róŜnicowe oraz najmniejszą wartość napięcia wejściowego zapewniającą poprawną pracę stabilizatorów. 2. Dla I0=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 załoŜonych wartościach napięcia wejściowego układy pracują poprawnie (jeśli nie - naleŜy poprawić projekt). Wyznaczyć napięcie róŜnicowe oraz najmniejszą wartość napięcia wejściowego zapewniającą poprawną pracę stabilizatorów. 4. Dla I0=0.25 A i badanych w pkt. 2 wartości napięcia wejściowego i wyjściowego, wyznacz moc traconą przez stabilizatory 317 lub 337. 5. Narysuj zaleŜności mocy traconej w stabilizatorach jako funkcję napięcia wejściowego. 6. Określ przydatność badanych stabilizatorów do pracy w róŜnych warunkach obciąŜenia i zasilania. 11 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 załoŜeniami 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 załoŜenia projektowe (podać parametry techniczne umoŜliwiające przeprowadzenie obliczeń wstępnych). 2. Obliczenia wstępne i projektowe (podać całość obliczeń z ewentualnymi komentarzami, wyniki wyróŜnić). 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 14. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i ppoŜ, obowiązującą w Laboratorium oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. Literatura: 1. P. Horowitz, W. Hill. Sztuka elektroniki. WKiŁ, Warszawa, 1995. 2. U. Tietze, Ch. Schenk. Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1997. Będę niezmiernie wdzięczny za wszelkie propozycje zmian przesłane na adres [email protected], [email protected] w celu udoskonalenia niniejszego opracowania. dr hab. inŜ. Jakub Dawidziuk, prof. PB 12
