Teoretický úvod Stabilizátor napětí je elektronický obvod, který má za úkol - jak vyplývá z jeho názvu - stabilizovat napětí. Uvažujeme situaci, že na vstup stabilizátoru je přiváděno stejnosměrné napětí, které jednak může být mírně zvlněné, tak může kolísat a my na výstupu potřebujeme přesnou, konstantní a stabilní hodnotu napětí na výstupu. Kromě toho po stabilizátoru požadujeme extrémně nízký výstupní odpor, ideálně samozřejmě nulový. Pokud totiž stabilizátor zatížíme, vzroste odebíraný proud a dle Théveninovy poučky začne výstupní napětí mírně klesat (dle velikosti vnitřního odporu a výstupního napětí, obvykle však v řádech mV). Což je však pro nás naprosto nepřijatelné. Ale ze zákona o zachování energie je jasné, že výkon stabilizátoru nemůže být nikdy vyšší než jeho příkon. Proto tedy v určitém bodě už je odběr proudu veliký a výstupní výkon by byl vyšší než příkon, stabilizátor začne snižovat relativně prudce výstupní napětí. Tohoto jevu se užívá při tzv. proudové ochraně, což je vratná elektronická pojistka, bránící průtoku vyššího proudu než zvoleného. Nejjednodušší stabilizátor napětí je tvořen Zenerovou diodou v závěrném směru a pracovním rezistorem (obrázek č. 1). Zde se využívá vlastnost Zenerovy diody, že při velké změně protékajícího proudu se jen mírně mění úbytek napětí (obrázek č. 2).
Obrázek č. 1: Schéma stabilizátoru napětí se Zenerovou diodou Obrázek č. 2: VACH Zenerovy diody Tento stabilizátor však není zrovna účinný (činitel stabilizace K U se pohybuje jen v řádech desítek) a odolný vůči vysokým proudům. My jsme měřili stabilizátor se Zenerovou diodu a operačním zesilovačem zapojeným jako komparátor. Ten porovnává referenční napětí na Zenerově diodě ZD s výstupním přivedeným do komparátoru přes napěťový dělič R 3 - Rr – R4. Zdroj referenčního napětí je tvořen Rezistorem RP a Zenerovou diodou. Velikost rezistoru RP je dána vztahem:
R P=
U O−U ZD [ ; V , V , A ] I ZD
Po připojení zdroje napětí na vstup uvažujeme tranzistor T1 otevřený a T2 uzavřený. Přes rezistor RP je napětí přivedeno na ZD a tam je přes rezistor R2 odečítáno na neinvertujícím vstupu operačního zesilovače. Rozdíl výstupního a referenčního napětí se projeví na výstupu komparátoru přivřením nebo naopak otevřením tranzistoru T 1 a tím snížením nebo naopak zvýšením napětí na výstupu. Komparátor tedy neustále porovnává velikosti výstupního a referenčního napětí a jejich rozdílem reguluje přívod energie. Pokud otočíme s regulačním potenciometrem Rr komparátor „si bude myslet“, že výstupní napětí kleslo (stouplo), a sníží (zvýší) tedy napětí v bázi tranzistoru T1 a tím začne dodávat méně (více) proudu na zátěž a tím se sníží (zvýší) výstupní napětí. Poteče-li do zátěže vysoký proud, na snímacím rezistoru R S vzroste úbytek na hodnotu vyšší než cca 0,65V, což je bázové napětí tranzistoru T2. Ten se začne otevírat a napětí, které vychází z komparátoru a má regulovat velikost přitékajícího proudu, jím je staženo a tranzistor T1 se přivírá, což způsobí pokles výstupního napětí. Velikost snímacího rezistoru je dána vztahem:
RS =
0,65 [ ; A ] I MAX
Základním parametrem každého stabilizátoru je činitel napěťové stabilizace K U. Udává, kolikrát je změna výstupního napětí menší než změna vstupního. Je to tedy bezrozměrné číslo, jeho ideální hodnota je nekonečno (v praxi se pohybuje v tisících) a měří se při nárůstu a poklesu vstupního napětí o 15%. KU se počítá dle tohoto vztahu:
K U=
U I [−; V , V ] UO
Dalšími důležitými parametry jsou minimální vstupní napětí, při kterém stabilizátor stabilizuje (bývá obvykle o 1V a vyšší než výstupní napětí) a účinnost stabilizátoru. To je procentní vyjádření Příkonu vůči výstupnímu výkonu.
=
PO U .I . 100= O O .100 [% ; W , W ; V , A , V , A] P1 U I. II
V lineární (pracovní) oblasti má stabilizátor výstupní odpor velmi malý, a to:
[% ; V , A ; V , V , A , A] ∣ ∣=∣UI −U −I ∣
Ri=
U
A
I
A
B
B
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 203-4R
List: 2/6
Schéma Schéma č. 1: schéma měřeného stabilizátoru
Schéma č. 2: schéma měřícího obvodu pro měření parametrů stabilizátoru
Tabulka použitých přístrojů Tabulka č. 1: Použité měřící přístroje
Označení v zapojení
Z1 V1 V2 A RS RP RZ1 RZ2
Přístroj
Typ
Evidenční číslo
ss zdroj
BK180
0180d
ss voltmetr
MY-65
0656
ss voltmetr
4650CR
0176
ss ampérmetr
4650CR
0215
-
0031
-
0026
-
0043
R=250Ω
-
0050
R=1450Ω
odporová dekáda odporová dekáda posuvný rezistor posuvný rezistor
Poznámka 0 – 30 V / 0 – 3 A 2 displaye – I a U DDM, 4½ místný, chyba na 20V: ± 0,1% ± 0,3 dg DDM (neměří I), 4½ místný, chyba na 20V: ± 0,05 % z č. h. + 3 dig DDM, 4½ místný, chyba na 200mA: ± 0,5 % z č. h. + 3 dig 0,1 - 99 999,9Ω Chyba 0,5% 0,1 - 99 999,9Ω Chyba 0,5%
Postup měření 1.
Návrh a realizace stabilizátoru:
• • • •
Na Zenerově diodě jsme odečetli jmenovitou hodnotu Zenerova napětí UZD.
•
Poté jsme zátěž zkratovali a přenastavili jsme RS tak, aby hodnota zkratového proudu odpovídala zadání.
Vypočítali a na odporové dekádě nastavili spočítanou hodnotu pracovního rezistoru RP. Poté jsme určili a na odporové dekádě nastavili velikost snímacího rezistoru RS. Sestavili jsme obvod dle schématu č. 2, nastavili napětí zdroje a následně potenciometrem R r výstupní napětí dle zadání.
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 203-4R
List: 3/6
2.
3.
Měření zatěžovací charakteristiky (VACH):
• • •
Velikost odporu zátěže jsme nastavili na nekonečno- rozpojením.
•
Těsně před hodnotou maximálního proudu jsme změřili několik přesnějších bodů.
Po odečtení hodnoty výstupního proudu a napětí jsme obvod znovu spojili. Měněním velikosti odporu zátěže jsme postupně nastavovali proudové hodnoty a odečítali velikosti změřených výstupních napětí.
Stanovení činitele stabilizace a výstupního (vnitřního) odporu :
• Z naměřených hodnot jsme stanovili nejnižší a nejvyšší proud, při kterých stabilizátor stabilizuje a z nich jsme spočítali velikost výstupního odporu stabilizátoru Ri.
4. 5.
• • •
Poté jsme nastavili odpor zátěže tak, aby jí protékal proud 5mA a o 15% zvýšili vstupní napětí. Odečetli jsme výstupní napětí, a vstupní napětí snížili o 15% ze zadané hodnoty. Z změřených odchylek napětí jsme spočítali činitel stabilizace KU.
Měření minimálního vstupního napětí:
• •
Na zdroji jsme nastavili nulové napětí a postupně jsme jej zvyšovali, dokud na výstupu nebylo zadané napětí. Poté jsme změřili velikost napětí mezi kolektorem a emitorem tranzistoru T1..
Určení účinnosti stabilizátoru:
• •
Na zdroji jsme zpět nastavili napětí dle zadání, odpor zátěže, aby jí protékal proud 5mA.
•
Z naměřených hodnot jsme spočítali účinnost stabilizátoru.
Odečetli jsme velikost výstupního napětí a proudu (5mA) a Ampérmetr přepojili na vstup a odečetli velikost vstupního proudu.
Tabulky naměřených a vypočítaných hodnot Tabulka č. 2: Parametry stabilizátoru (vypočítané a skutečné): Tabulka č. 3: Budící charakteristika (VACH) stabilizátoru: UO [V] δU [%] zadaná / navržená skutečná odchylka měření [%] IO [mA] +0,09 naprázdno vstupní napětí UI [V] 12 12,000 ±0,10 0 7,007 -0,05 RZ=ꝏ +0,09 +0,09 výstupní napětí UO [V] 7 7,007 10 7,008 -0,05 -0,05 +0,09 +4,23 20 7,008 maximální proud IMAX [mA] 80 80,370 -0,05 -0,50 +0,09 30 7,008 pracovní rezistor zdroje -0,05 [Ω] 160 RP referenčního napětí +0,09 40 7,008 -0,05 [Ω] 8,13 snímací rezistor RS 11,9 +0,09 50 7,008 -0,05 Tabulka č. 4: Naměřené mezní hodnoty stabilizátoru a z nich vypočítané +0,09 parametry stabilizátoru: 60 7,007 -0,05 minimální vstupní napětí UMIN [V] 8,494 +0,09 70 7,007 minimální napětí C-E na T1 UC-E [V] 1,330 -0,05 +0,10 výstupní napětí při vstupním 13,8V UO+15% [V] 7,010 75 6,531 -0,05 výstupní napětí při vstupním 10,2V UO+15% [V] 7,008 +0,12 80 4,145 -0,05 činitel stabilizace KU [-] 1 800 nakrátko 80,370 0,000 vnitřní (výstupní) odpor Ri [mΩ] 14,29 RZ=0 vstupní proud II [mA] 14,20 hodnota
účinnost
Jméno: JAŠEK Martin
η
[%]
20,56
Třída: T4
Číslo projektu: 203-4R
List: 4/6
Výpočty Výpočet č. 1 : Výpočet velikosti pracovního rezistoru zdroje referenčního napětí:
R P=
U O−U ZD 7−6,2 = =160 −3 I ZD 5 . 10
Výpočet č. 2 : Výpočet velikosti snímacího rezistoru:
0,65 0,65 = =8,125 I MAX 80 .10−3
RS =
Výpočet č. 3 : Výpočet činitele napěťové stabilizace
K U=
U I 13,8−10,2 = =1 800 U O 7,010−7,008
Výpočet č. 4 : Výpočet vnitřního (výstupního) odporu stabilizátoru (body A a B - viz graf č. 1):
U A−U B 7,008−7,007 = =14,286 m I A−I B 0−70.10−3
∣
R i=
∣∣
∣
Výpočet č. 5 : Výpočet účinnosti stabilizátoru :
S =
PO U .I 7,008 .5 .100= O O . 100= .100=20,563% PI U I .II 12 .14,2
Výpočet č. 6 : Výpočet odchylky měření odporu zátěže :
U O =M
1DGT . 1DGT 3 .0 ,001 . 100=±0,05 . 100=0,0928 % UO 7,007 −0,0500
Grafy Graf č. 1 : Zatěžovací charakteristika (VACH) měřeného stabilizátoru 8 7
A
B
Uo=f(Io)
6
Uo [V]
5 4 3 2 1 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Io [mA]
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 203-4R
List: 5/6
Závěr Chyby měřících přístrojů
1.
Chyba měření vstupního napětí a výstupního proudu: Vstupní napětí bylo měřeno voltmetrem V1, výstupní proud ampérmetrem A1. Oba tyto měřící přístroje mají 4½ místný display, což zaručuje vyšší přesnost měření. Větší nepřesnosti při měření však byly způsobovány nepřesným nastavením potenciometrů a posuvných rezistorů a následnými výkyvy daných hodnot.
2.
Chyba měření výstupního napětí: Výstupní napětí stabilizátoru bylo nutné měřit s extrémně přesným voltmetrem, neboť stabilita stabilizátoru byla poměrně vysoká a potřebovali jsme každou sebemenší odchylku napětí zaznamenat. V našem případě se odchylka pohybovala v řádech setin až desetin procenta, což naznačuje, že případné chyby měření nebudou způsobeny chybou tohoto voltmetru.
Zhodnocení
1.
Zhodnocení navrhnutých a skutečných hodnot stabilizátoru: Dle vzorců jsme navrhli hodnoty pracovního R P a snímacího R S rezistoru (výpočet č. 1 a 2), avšak tyto výpočty byly pouze hrubé, neboť při nich byl ignorován „odpor“ tranzistoru T1. Při návrhu pracovního rezistoru RP byl také ignorován rezistor RS.. Navíc spočítaná hodnota snímacího rezistoru R S byla 8,125Ω, avšak na odporové dekádě lze nastavit odpor s přesností na desetiny Ohmu, tedy 8,1Ω.
2.
Zhodnocení zatěžovací charakteristiky (VACH) stabilizátoru: Zatěžovací charakteristika, přesněji VACH ukazuje názorně princip stabilizátoru s proudovou ochranou. Od nezatíženého stavu (bod A) s nulovým proudovým odběrem je výstupní napětí pořád stejné a dosahuje konstantní hodnoty. V bodě B, těsně před dovršením maximálního bodu, se křivka prudce láme a během několik mA je výstupní napětí nulové. Oblast mezi body A a B se nazývá optimální pracovní oblast.
3.
Zhodnocení vypočítaných parametrů stabilizátoru (činitel stabilizace, výstupní odpor, účinnost): Činitel stabilizace stabilizátoru KU vyšel 1800, což je relativně slušná hodnota. Mohla by být pravděpodobně vyšší, kdyby byly použity přesnější měřicí přístroje(velikost činitele závisela na hodnotě posledního digitu výstupního voltmetru). Ideální zdroj napětí má mít výstupní odpor nulový, náš stabilizátor má v lineární oblasti výstupní odpor 14,29mΩ, což je slušná hodnota. V oblasti těsně před zapnutím proudové pojistky začne prudce růst (přivírání se tranzistoru T1), což způsobuje pád výstupního napětí. Účinnost je parametr, který je důležitý především z ekonomických důvodů, ale také pro výběr vstupního napájecího zdroje. Účinnost stabilizátoru vyšla 20,56%, což znamená, že víc než ¾ dodané energie se přemění na teplo, což je poměrně dost. Tyto ztráty by se daly snížit snížením vstupního napětí, neboť nadbytečné napětí (rozdíl vstupního a výstupního) je zbytečně přeměněno na teplo.
4.
Zhodnocení mezních parametrů (minimální vstupní napětí, minimální napětí na tranzistoru T1): Po připojení napětí na vstup stabilizátoru se ihned pootevře nebo přivře tranzistor T 1 tak, aby na výstupu bylo požadované napětí. Pokud by jsme však na vstup tranzistoru přivedli napětí nižší nebo rovno požadovanému výstupnímu, tranzistor se otevře do saturace, ale i tak má na přechodu kolektor-emitor nějaký minimální úbytek UCE. Ten jsme naměřili 1,330V, což přibližně odpovídá kolektorovému napětí běžných tranzistorů. Stabilizátor proto potřebuje na vstupu napětí o úbytek na tranzistoru T 1 vyšší napětí než požadujeme na výstupu. Minimální vstupní napětí jsme stanovili na 8,494V (což je asi o 1,5V vyšší než výstupní napětí).
Jméno: JAŠEK Martin
Třída: T4
Číslo projektu: 203-4R
List: 6/6
