Stabiliz atory napˇet ı v nap ajec ıch zdroj ıch - mˇeˇren ı z akladn ıch parametr u Ondˇrej ˇ Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch - mˇeˇren´ı z´akladn´ıch parametr˚ u ˇ Ondˇrej Sika

Obsah 1 Zad´ an´ı

4

2 Teoretick´ yu ´ vod 2.1 Stabiliz´ator . . . . . . . . . . . . . 2.2 Druhy stabiliz´ator˚ u . . . . . . . . . 2.2.1 Parametrick´e stabiliz´atory . 2.2.2 Zpˇetnovazebn´ı stabiliz´atory ˇ asti stabiliz´atoru . . . . . . . . . 2.3 C´ 2.3.1 Parametrick´ y stabiliz´ator . . 2.3.2 Zpˇetnovazebn´ı stabiliz´ator . 2.4 Elektronick´a pojistka . . . . . . . . 2.4.1 Druhy pojistek . . . . . . . 2.4.2 D˚ uvody pouˇz´ıv´an´ı . . . . . 2.5 Integrovan´e stabiliz´atory . . . . . . 2.5.1 LM317T . . . . . . . . . . . 2.5.2 L200C . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 6 6 6

3 Sch´ ema zapojen´ı 3.1 Parametrick´ y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 LM317T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 L200C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 7 7 7

4 Postup mˇ eˇ ren´ı

7

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

5 Namˇ eˇ ren´ e a vypoˇ cten´ e hodnoty 5.1 Parametrick´ y stabiliz´ator . . . . . 5.1.1 Stabilizaˇcn´ı charakteristika 5.1.2 Zatˇeˇzovac´ı charakteristika 5.2 LM317T . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Stabilizaˇcn´ı charakteristika 5.2.2 Zatˇeˇzovac´ı charakteristika 5.3 L200C . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Stabilizaˇcn´ı charakteristika 5.4 Zatˇeˇzovac´ı charakteristika . . . . ˇ 5.5 Cinitel stabilizace a vnitˇrn´ı odpor 5.5.1 Parametrick´ y stabiliz´ator . 5.5.2 LM317T . . . . . . . . . . 5.5.3 L200C . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 10 10 10 10

6 Grafy 6.1 Parametrick´ y stabiliz´ator . . . . . 6.1.1 Stabilizaˇcn´ı charakteristika 6.1.2 Stabilizaˇcn´ı oblast . . . . 6.1.3 Zatˇeˇzovac´ı charakteristika 6.2 LM317T . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

11 11 11 12 13 14

6.3

6.2.1 6.2.2 6.2.3 L200C 6.3.1 6.3.2 6.3.3

Stabilizaˇcn´ı charakteristika Stabilizaˇcn´ı oblast . . . . Zatˇeˇzovac´ı charakteristika . . . . . . . . . . . . . . . Stabilizaˇcn´ı charakteristika Stabilizaˇcn´ı oblast . . . . Zatˇeˇzovac´ı charakteristika

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

14 15 16 17 17 18 19

7 Pouˇ zit´ e pˇ r´ıstroje

20

8 Z´ avˇ er

20

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

1

ˇ Ondˇrej Sika

Zad´ an´ı 1. Na vzorc´ıch stabiliz´ator˚ u napˇet´ı zmˇeˇrte a zn´azornˇete stabilizaˇcn´ı charakteristiku. 2. V samostatn´em grafu zn´azornˇete (ve vhodn´em mˇeˇr´ıtku) stabilizaˇcn´ı oblast. 3. Urˇcete ˇcinitel stabilizace jednotliv´ ych zapojen´ı. Hodnoty potˇrebn´e pro jeho urˇcen´ı v grafu vyznaˇcte. 4. Zmˇeˇrte a zn´azornˇete zatˇeˇzovac´ı charakteristiky stabiliz´ator˚ u od 0 do doporuˇcen´e maxim´aln´ı hodnoty proudu. 5. Urˇcete hodnotu vnitˇrn´ıho odporu Ri . Hodnoty potˇrebn´e pro jeho urˇcen´ı v grafu vyznaˇcte. 6. Porovnejte jednotliv´e stabiliz´atory z hlediska kvality stabilizace a tvrdosti. 7. Porovnejte tvrdost nestabilizovan´eho zdroje (mˇeˇren´eho v u ´loze ˇc. 2) a stabilizovan´eho.

2 2.1

Teoretick´ yu ´ vod Stabiliz´ ator

Napˇet’ov´ y stabiliz´ator je elektrick´ y obvod (dvojbran) pro udrˇzen´ı konstantn´ıho v´ ystupn´ıho napˇet´ı pˇri zmˇenˇe z´atˇeˇze a vstupn´ıho napˇet´ı. D´ale sniˇzuje vnitˇrn´ı odpor zdroje a zvlnˇen´ı.

2.2

Druhy stabiliz´ ator˚ u

Napˇet’ov´e stabiliz´atory m˚ uˇzeme rozdˇelit do dvou z´akladn´ıch skupin. Parametrick´e a zpˇetnovazebn´ı. 2.2.1

Parametrick´ e stabiliz´ atory

Stabilizuj´ı podle parametru nˇekter´e souˇc´astky. To je jej´ı nelinearita ve VA charakteristice. Typick´ ym panamerick´ ym stabiliz´atorem je Zenerova dioda v s´erii s rezistorem. Pˇresnost tˇechto stabiliz´ator˚ u nen´ı tak vysok´a, protoˇze ˇz´adn´a VA charakteristika nikdy nen´ı ide´aln´ı a proto nemaj´ı velk´ y rozsah stabilizaˇcn´ı oblasti. 2.2.2

Zpˇ etnovazebn´ı stabiliz´ atory

Jejich ˇcinnost spoˇc´ıv´a v tom, ˇze porovn´avaj´ı velikost v´ ystupn´ıho napˇet´ı referenˇcn´ım napˇet´ım, coˇz je parametrick´ y stabiliz´ator v jednom pracovn´ım bodˇe. Proto tyto stabyliz´atory maj´ı vˇetˇs´ı stabilizaˇcn´ı oblast a vˇetˇs´ı pˇresnost.

4

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

2.3 2.3.1

ˇ Ondˇrej Sika

ˇ asti stabiliz´ C´ atoru Parametrick´ y stabiliz´ ator

M´a pouze dvˇe ˇca´sti. Stabilizaˇcn´ı prvek a vyrovn´avac´ı prvek. Vˇetˇsinou je stabilizaˇcn´ı prvek Zenerova dioda a vyrovn´avac´ı prvek rezistor. Na stabilizaˇcn´ım prvku je poˇra´d stejn´ yu ´bitek napˇet´ı a zbytek je pak na vyrovn´avac´ım prvku. Ten vyrovn´av´a zmˇeny vstupn´ıho napˇet´ı. 2.3.2

Zpˇ etnovazebn´ı stabiliz´ ator

Zpˇetnovazebn´ı stabiliz´ator se skl´ad´a ze 4 ˇclen˚ u: sn´ımaˇc v´ ystupn´ıho napˇet´ı, zdroj referenˇcn´ıho napˇet´ı, diferenci´aln´ı zesilovaˇc a regulaˇcn´ı prvek. Sn´ımaˇc v´ ystupn´ıho napˇet´ı je vˇetˇsinou odporov´ y dˇeliˇc, kter´ y je nastaven tak, aby ide´aln´ı v´ ystup z dˇeliˇce byl stejnˇe velk´ y jako zdroj referenˇcn´ıho napˇet´ı. Tyto dvˇe napˇet´ı pak porovn´av´a diferenci´aln´ı zesilovaˇc (operaˇcn´ı zesilovaˇc), kter´ y pak pomoc´ı regulaˇcn´ıho prvku (tranzistoru) reguluje velikost v´ ystupn´ıho napˇet´ı.

2.4 2.4.1

Elektronick´ a pojistka Druhy pojistek

• Tavn´a Tavn´a pojistka je tenk´ y dr´atek. Pˇri pˇrekroˇcen´ı urˇcit´eho proudu se dr´atek pˇretav´ı. Tato pojistka je nevratn´a. • Elektronick´a Elektronick´a pojistka je vratn´a pojistka, coˇz je jej´ı velkou v´ yhodou. Je to neline´arn´ı termistor, kter´ y se chov´a jako tavn´a pojistka, s t´ım rozd´ılem, ˇze se po urˇcit´e dobˇe znovu vr´at´ı. 2.4.2

D˚ uvody pouˇ z´ıv´ an´ı

Hlavn´ı v´ yhodou elektronick´ ych pojistek je vratnost. Proto se pouˇz´ıvaj´ı vˇsude, kde chceme zamezit vˇetˇs´ımu proudu a z´aroveˇ n v´ım, ˇze se trval´ y proud bude pohybovat 5

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

ˇ Ondˇrej Sika

v okol´ı mezn´ıho proudu. Tam bychom museli klasick´e pojistky ˇcasto mˇenit. Je tak´e vhodn´a jako tepeln´a ochrana obvodu.

2.5 2.5.1

Integrovan´ e stabiliz´ atory LM317T

max. v´ ystupn´ı proud 1,5 A min.v´ ystupn´ı proud 3,5 mA rozsah regulace napˇet´ı 1,25 - 37 V referenˇcn´ı napˇet´ı 1,25 V max.rozd´ılov´e napˇet´ı 40 V pracovn´ı teplota 0 - 125 ◦ C teplotn´ı stabilita 1% orientaˇcn´ı cena 16,- Kˇc

2.5.2

L200C

max. v´ ystupn´ı proud 2,5 A rozsah regulace napˇet´ı 2,85 - 37 V max.rozd´ılov´e napˇet´ı 32 V orientaˇcn´ı cena 40,- Kˇc

6

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

3

Sch´ ema zapojen´ı

3.1

Parametrick´ y

3.2

LM317T

3.3

L200C

4

ˇ Ondˇrej Sika

Postup mˇ eˇ ren´ı

Pˇri mˇeˇren´ı stabilizaˇcn´ı charakteristiky nastavujeme na zdroji U1 napˇet´ı od nuly a postupnˇe zvyˇsujeme. Pˇred mˇeˇren´ım mus´ıme m´ıt k dispozici informaci o maxim´aln´ım vstupn´ım napˇet´ı, pˇri kter´em je moˇzn´e jeˇstˇe stabiliz´ator provozovat! Zmˇeny mˇeˇren´eho v´ ystupn´ıho napˇet´ı budou po dosaˇzen´ı stabilizaˇcn´ı oblasti mal´e, proto pouˇzijeme na v´ ystupu dvou voltmetr˚ u V2 a V3 zapojen´ ych do s´erie. Pomocn´e napˇet´ı na zdroji U2 nastav´ıme tak, aby na voltmetru V3 bylo moˇzn´e vyuˇz´ıt nejmenˇs´ı rozsah (asi tak 0,2 aˇz 1V). Protoˇze napˇet´ı na voltmetru V2 je stabilizovan´e, odeˇc´ıt´ame prakticky zmˇeny na voltmetru V2 a v´ ystupn´ı napˇet´ı urˇc´ıte z II. Kirchhoffova z´akona. 7

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

Pˇri mˇeˇren´ı zatˇeˇzovac´ı charakteristiky budeme mˇenit zatˇeˇzovac´ı odpor. Ve v´ ystupn´ım obvodu zapoj´ıme do s´erie se zatˇeˇzovac´ım odporem ochrann´ y odpor R0 , abychom se vyvarovali pˇr´ıpadn´eho zkratu vyˇrazen´ım odporu RZ . Hodnotu ochrann´eho odporu R0 urˇc´ıme alespoˇ n pˇribliˇznˇe z v´ ystupn´ıho napˇet´ı a maxim´aln´ıho dovolen´eho proudu. Napˇet´ı U1 nastav´ıme takov´e, aby bylo dodrˇzeno potˇrebn´e pracovn´ı napˇet´ı stabiliz´atoru.

5 5.1 5.1.1

Namˇ eˇ ren´ e a vypoˇ cten´ e hodnoty Parametrick´ y stabiliz´ ator Stabilizaˇ cn´ı charakteristika

konstantn´ı I2 = 0.1A U1 [V] 2 U2 [V] 0.13 U3 [V] 0.13 UOU T [V] 0.26 U1 [V] 11 U2 [V] 8 U3 [V] 0.151 UOU T [V] 8.151 5.1.2

4 6 7.5 8 8.5 9 1.13 2.15 8 3.15 8 3.6 1.13 2.15 -1.131 3.15 -1.98 3.6 2.26 4.3 6.869 6.3 6.02 7.2 12 15 17 19 21 25 8 8 8 8 8 8 0.164 0.2 0.24 0.25 0.320 0.36 8.164 8.2 8.24 8.25 8.32 8.36

Zatˇ eˇ zovac´ı charakteristika

konstantn´ı U1 = 15V IZ [A] 0.1 0.2 U2 [V] 4.13 4.12 U3 [V] 4.13 4.12 UOU T [V] 8.26 8.24 IZ [A] 0.55 0.6 U2 [V] 4.05 4.05 U3 [V] 4.05 4.05 UOU T [V] 8.1 8.1

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50 4.13 4.1 4.1 4.09 4.09 4.06 4.13 4.1 4.1 4.09 4.09 4.06 8.26 8.2 8.2 8.18 8.18 8.12 0.65 0.7 0.75 0.8 0.9 1 4.06 4.03 4 3.94 3.66 3.4 4.06 4.03 4 3.94 3.66 3.4 8.12 8.06 8 7.88 7.32 6.7

8

10 4.05 4.05 8.1 30 8 0.39 8.39

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

5.2 5.2.1

LM317T Stabilizaˇ cn´ı charakteristika

konstantn´ı I2 U1 [V] U2 [V] U3 [V] UOU T [V] U1 [V] U2 [V] U3 [V] UOU T [V] 5.2.2

= 0.1A 2 4 6 8 10 11 11.5 12 0.18 1.2 2.17 3.14 4.16 4.7 10 5 0.18 1.2 2.17 3.14 4.16 4.7 0.1 5 0.36 2.4 4.34 6.28 8.32 9.4 10.1 10 12.5 13 15 17 19 21 25 30 10 10 10 10 10 10 10 10 -0.02 -0.03 -0.016 -0.03 -0.007 -0.015 -0.013 -0.005 9.978 9.970 9.984 9.970 9.993 9.985 9.987 9.995

Zatˇ eˇ zovac´ı charakteristika

konstantn´ı U1 = 15V IZ [A] 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.5 UOU T [V] 4.99 4.98 4.97 4.96 4.95 4.94 4.93 4.92 4.91 IZ [A] 0.55 0.6 0.7 0.8 0.85 0.9 0.95 1 UOU T [V] 4.9 4.89 4.88 4.87 4.86 4.85 4.84 4.81

5.3 5.3.1

L200C Stabilizaˇ cn´ı charakteristika

konstantn´ı I2 U1 [V] U2 [V] U3 [V] UOU T [V] U1 [V] U2 [V] U3 [V] UOU T [V]

5.4

= 0.1A 3 0.17 0.17 0.34 12 5.07 5.07 10.14

4 6 8 9 10 1.18 2.16 3.13 3.67 4.17 1.18 2.16 3.13 3.67 4.17 2.36 4.32 6.26 7.34 8.34 12.5 13 16 18 21 5.1 10 10 10 10 5.1 0.06 0.06 0.07 0.08 10.2 10.06 10.06 10.07 10.08

11 11.5 4.64 4.89 4.64 4.89 9.28 9.78 25 30 10 10 0.2 0.21 10.2 10.21

Zatˇ eˇ zovac´ı charakteristika

konstantn´ı U1 = 0.1A IZ [A] 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 UOU T [V] 4.99 4.98 4.97 4.96 4.95 4.94 4.93 4.92 IZ [A] 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.8 0.9 1 UOU T [V] 4.91 4.9 4.89 4.88 4.87 4.86 4.85 4.84

9

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

5.5 5.5.1

ˇ Cinitel stabilizace a vnitˇ rn´ı odpor Parametrick´ y stabiliz´ ator

ˇcinitel stabilizace

k=

8.39 − 8.1 ∆UOU T = = 0.0145 ∆UIN 30 − 10

vnitˇrn´ı odpor Ri = 5.5.2

∆UOU T 8.26 − 6.6 = = 1.84Ω ∆IZ 1 − 0.1

LM317T

ˇcinitel stabilizace k=

9.995 − 9.978 ∆UOU T = = 9.7 ∗ 10−4 ∆UIN 30 − 12.5

vnitˇrn´ı odpor Ri = 5.5.3

4.98 − 4.81 ∆UOU T = = 0.188Ω ∆IZ 1 − 0.1

L200C

ˇcinitel stabilizace k=

10.21 − 10.06 ∆UOU T = = 8.8 ∗ 10−3 ∆UIN 30 − 13

vnitˇrn´ı odpor Ri =

∆UOU T 4.99 − 8.84 = = 0.166Ω ∆IZ 1 − 0.1

10

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6 6.1 6.1.1

Grafy Parametrick´ y stabiliz´ ator Stabilizaˇ cn´ı charakteristika

11

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6.1.2

Stabilizaˇ cn´ı oblast

12

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6.1.3

Zatˇ eˇ zovac´ı charakteristika

13

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6.2 6.2.1

LM317T Stabilizaˇ cn´ı charakteristika

14

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6.2.2

Stabilizaˇ cn´ı oblast

15

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6.2.3

Zatˇ eˇ zovac´ı charakteristika

16

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6.3 6.3.1

L200C Stabilizaˇ cn´ı charakteristika

17

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6.3.2

Stabilizaˇ cn´ı oblast

18

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

6.3.3

Zatˇ eˇ zovac´ı charakteristika

19

ˇ Ondˇrej Sika

Stabiliz´atory napˇet´ı v nap´ajec´ıch zdroj´ıch

7

ˇ Ondˇrej Sika

Pouˇ zit´ e pˇ r´ıstroje

Zdroj 3206-26-CL 143 Rezistor AL 1732 Stabiliz´ator L200, LM317, KD 503 Multimetr E11, E6, E7, 37

8

Z´ avˇ er

Stabilizaˇcn´ı a zatˇeˇzovac´ı charakteristiky vyˇsly u vˇsech stabiliz´ator˚ u podle teoretick´ ych pˇredpoklad˚ u. Nejlepˇs´ı ˇcinitel stabilizace mˇel zpˇetnovazebn´ı stabiliz´ator LM317T a byl 9.7 ∗ 10−4 . D´ale zpˇetnovazebn´ı stabiliz´ator L200C kter´ y mˇel k = 8.8 ∗ 10−3 a nakonec parametrick´ y stabiliz´ator k = 0.0145. Vnitˇrn´ı odpory u stabiliz´ator˚ u byly vˇzdy pod 1Ω, coˇz jsou pomˇernˇe tvrd´e zdroje. Parametrick´ y stabiliz´ator mˇel vˇetˇs´ı vnitˇrn´ı odpor, neˇz stabiliz´atory zpˇetnovazebn´ı. LM317T mˇel vnitˇrn´ı odpor 0.188Ω, L200C mˇel Ri = 0.166Ω a parametrick´ y mˇel Ri = 0.188Ω

20