Liniowe stabilizatory napięcia i prądu 1. Wstęp Stabilizatory dzieli się według zasady działania na stabilizatory parametryczne oraz kompensacyjne tzn. ze sprzężeniem zwrotnym. Stabilizatory kompensacyjne dzieli się na układy o działaniu ciągłym oraz o działaniu impulsowym. W obydwu tych grupach wyróżnia się stabilizatory szeregowe i równoległe. Stabilizatory parametryczne stosowane są w przypadku małych mocy wyjściowych lub jak stabilizatory pomocnicze. Cechują się one małą sprawnością, niezbyt dobrymi parametrami oraz brakiem możliwości regulacji stabilizowanego napięcia lub prądu wyjściowego. Parametry liniowego stabilizatora kompensacyjnego, a zwłaszcza sprawność, są znacznie lepsze niż stabilizatora parametrycznego. Niniejsze ćwiczenie ma charakter projektowo-doświadczalny i jego celem jest wykształcenie umiejętności samodzielnego projektowania i realizacji praktycznej kompensacyjnych stabilizatorów o działaniu ciągłym w postaci aplikacji wybranych popularnych układów scalonych. 2. Wprowadzenie. Stabilizatory kompensacyjne o pracy ciągłej. Zadaniem stabilizatorów napięcia lub prądu stałego jest dostarczenie do obciążenia stabilizowanego napięcia lub prądu, którego wartość w bardzo małym stopniu będzie zależała od takich czynników jak zmieniające się: - napięcie wejściowe UI ą "UI - rezystancja obciążenia RL ą "RL - temperatura otoczenia T ą "T oraz innych czynników zewnętrznych, takich jak zmiany ciśnienia i wilgotności powietrza atmosferycznego, oraz odporność na działanie czynników chemicznych, a branych pod uwagę wyłącznie w zastosowaniach specjalnych. Jednak wpływ wymienionych czynników zewnętrznych oraz temperatury na wartości stabilizowanych napięć i prądów wyjściowych jest zazwyczaj do pominięcia w stosunku do zmian wpływu napięcia wejściowego i obciążenia w szczególności w scalonych stabilizatorach napięcia i prądu. Można wówczas powiedzieć, że napięcie wyjściowe UO lub prąd wyjściowy IO jest w głównej mierze funkcją napięcia zasilającego UI i obciążenia RL UO = f (UI , RL) (2.1) IO = f (UI , RL) Różniczki zupełne tych funkcji mają też postać dUO dUO dUO = " "UI + " "IO dU dIO I (2.2) dIO dIO dIO = " "UI + " "UO dUI dUO - 1 - Stabilizator jest dwuwrotnikiem włączonym pomiędzy zródło niestabilizowanego napięcia lub prądu wejściowego a obciążenie (rys. 2.1.) Io Io ą " II II ą " RI EI EI RL ą " Stabilizator Uo Uo ą " UI UI ą " Rys. 2.1. Stabilizator w warunkach roboczych. Rozważane w ćwiczeniu stabilizatory sterowane o działaniu ciągłym (Kompensacyjne) działają dzięki regulacji stałoprądowej rezystancji elementu regulacyjnego (Tranzystora) sygnałem zwrotnym, uzależnionym od różnicy napięcia lub prądu wyjściowego i napięcia odniesienia (Referencyjnego). Ta ogólna zasada działania sterowanych stabilizatorów została pokazana na poniższym rysunku. Wzmacniacz prądu yródło napięcia Wzmacniacz Napięcie stałego błędu odniesienia Błędu UB RO O UREF KU = 1 KU Ł Ł Ł Ł Io Gm = Io/(KU"UB) RL Uo ł ł ł ł Rys. 2.2. Schemat blokowy i zasada działania stabilizatora kompensacyjnego Na podstawie schematu blokowego stabilizatora z rys. 2.2, zgodnie z teorią sprzężenia zwrotnego, można zapisać następujące wyrażenia opisujące: Rezystancję wyjściową - RłO ł ł ł RO RfO = (2.3) 1+ KUł Napięcie na wyjściu stabilizatora - UO ł łł KUGmRL KUGmRL UO = UREF , jeśli przyjmiemy, że KU ", czyli ł REF śł limłU 1+ łKUGmRL ł , 1+ łKUGmRL KU " 1 wówczas UO = U (2.4) REF ł - 2 - W przypadku stabilizatora prądu w układzie jak na rys.2.2, wyrażenie opisujące zależność prądu stabilizowanego IO na wyjściu ma postać ł łł KUGm KUGm IO = UREF , jeśli również przyjmiemy, że KU ", a więc ł REF śł limłU 1+ łKUGmRO ł , 1+ łKUGmRO KU " 1 UREF wówczas IO = (2.5) ł RO Zależność jest prawdziwa dla napięcia UREF będącego w tym układzie napięciem odniesienia względem potencjału punktu O W praktycznej realizacji układowej stabilizatora blok KU i Ł zgodnie z rys. 2.2 Ł Ł Ł (linia przerywana), stanowi napięciowy wzmacniacz różnicowy lub operacyjny z wejściem symetrycznym. UI IO (UI-UO) - DROPOUT UO UI Stabilizator UO RL "UO IO RfO "IO Zakres Zakres stabilizacji przeciążenia I Rys. 2.3. Charakterystyka wyjściowa stabilizatora napięcia w warunkach roboczych. Podstawowe parametry stabilizatora są związane z jego charakterystyką wyjściową obrazującą zależność napięcia wyjściowego UO od prądu obciążenia IO (przy stałym napięciu wejściowym UI). W typowej charakterystyce stabilizatora wyodrębnia się - zakres stabilizacji (normalnej pracy) - zakres przeciążenia W zakresie przeciążenia występuje znaczna zależność napięcia od prądu, tzn. zanikają właściwości stabilizujące układu, ponadto może znacznie powiększyć się moc wydzielana w szeregowym elemencie regulacyjnym, co grozi jego uszkodzeniem. Obecnie stosuje się często układy dodatkowe modyfikujące charakterystykę UO(IO) w taki sposób, że poza zakresem stabilizacji moc wydzielana w układzie stabilizatora nie powiększa się w ogóle lub powiększa się umiarkowanie (FoldBack lub Safe Operation Area Protection Circuit) - rys. 3.4. Podstawowe parametry stabilizatora to: nominalne ( znamionowe ) napięcie stabilizacji U0 napięcie odniesienia ( dioda zenera, zródło typu band-gap, przetwornik C/A ) UREF maksymalny prąd wyjściowy w zakresie stabilizacji I0max, IK - 3 - prąd zwarcia Iz współczynnik stabilizacji napięcia od zmian napięcia wejściowego SU = " "UO "UI / " " " " " współczynnik stabilizacji napięcia od zmian obciążenia SRL = "UO / UO " " " rezystancja wyjściowa RfO = |" " "UO/"IO| " " " " sprawność energetyczna = (UOIO)/(UIII)
(UI - UO)min minimalna różnica napięć pomiędzy wejściem i wyjściem niezbędna do stabilizacji napięcia wyjściowego w warunkach pełnych zmian obciążenia ( DropOut ) (UI - UO)max maksymalna różnica napięć pomiędzy wejściem i wyjściem nie powodująca zniszczenia elementu regulacyjnego w warunkach pełnego obciążenia rezystancja wyjściowa stabilizatora z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, rezystancja RO, RS szeregowa próbkująca zmiany napięcia wywołane zmianami prądu obciążenia rezystancja obciążenia RL transkonduktancja elementu regulacyjnego ( tranzystora mocy, wzmacniacza prądowego ) Gm definiowana jako Ic/Ube, ID/Ugs współczynnik sprzężenia ( zwrotnego podziału napięcia prądu wyjściowego względem ł ł ł ł napięcia odniesienia ), decyduje o wartości napięcia lub prądu stabilizowanego na wyjściu 3. Rozwiązania układowe i projektowanie kompensacyjnych stabilizatorów liniowych. Zgodnie z rys. 2.2, na którym przedstawiono ogólny schemat blokowy stabilizatora kompensacyjnego, stabilizatory możemy podzielić ze względu na rodzaj ujemnego sprzężenia zwrotnego, a więc sposób jego realizacji bądz za pomocą wzmacniacza błędu (sygnał zwrotny podawany jest na wejście różnicowe ze znakiem minus - - , natomiast element regulacyjny pracuje w - - układzie OC lub OD) - układy klasyczne, bądz za pomocą inwertera w postaci elementu regulacyjnego (sygnał zwrotny podawany jest na wejście różnicowe ze znakiem minus + , natomiast element regulacyjny pracuje w układzie OE lub OS) - układy o małym spadku napięcia pomiędzy wejściem i wyjściem (Low DropOut). Podziału stabilizatorów dokonuje się również ze względu na sposób sterowania za pomocą elementu regulacyjnego jak to pokazano na rys. 3.2, z zachowaniem ujemnego sprzężenia zwrotnego w pętli. Na rys. 3.1, pokazano najważniejsze powszechnie stosowane układy liniowych stabilizatorów napięcia realizowane, w postaci monolitycznych układów scalonych, bądz na elementach dyskretnych z wykorzystaniem scalonych zródeł napięcia odniesienia (np.: 1N821, TL431, LM385, LM399). Układy stabilizatorów z rys. 3.1 (a) i (b) znalazły szczególne zastosowanie w tzw. 3-końcówkowych programowanych stabilizatorach napięcia lub prądu, w których płynną lub skokową regulację napięcia możemy uzyskać poprzez zmianę rezystancji R2, w zakresie od 0&! do wartości przy której różnica (UI - UO) jest większa od (UI - UO)min. Dzięki rezystancji programującej R2 włączonej pomiędzy masę a stabilizator możliwe jest np. cyfrowe ustalanie napięcia wyjściowego za pomocą kluczy tranzystorowych, co ma szczególne zastosowanie w zasilaniu urządzeń bezpośrednio sterownych mikrokontrolerami jednoukładowymi. Należy przede wszystkim wymienić tu kilka popularnych układów monolitycznych LM78xx, LM317, LM350, MC33269, oraz programowany stabilizator 5-końcówkowy L200 pracujący w układzie jak na rys. 3.1 (c), w którym płynną regulacje napięcia uzyskuje się dzięki - 4 - zmianom wartości rezystancji R1. Na rys. 3.1 (d) przedstawiono podstawowy układ stabilizatora o małym spadku napięcia pomiędzy wejściem i wyjściem (stabilizator LDO). Poza wymienionym dedykowanymi układami liniowych stabilizatorów, produkowane są również tzw. uniwersalne monolityczne stabilizatory napięcia lub prądu, zawierające: (i) skompensowane zródło napięcia odniesienia, (ii) wzmacniacz błędu i (iii) układ zabezpieczenia nad prądowego, bądz stabilizator prądu w postaci dodatkowego wzmacniacza - komparatora. Należy tu w szczególności wymienić popularny stabilizator monolityczny uA723. W oparciu o układy scalonych stabilizatorów uniwersalnych, realizowane są najczęściej, układy stabilizatorów pokazane na rys. 3.1 (c) i (d). W celu realizacji aplikacji układu stabilizatora ze stabilizatorem uniwersalnym najczęściej konieczne jest zastosowanie zewnętrznego dyskretnego tranzystora mocy BJT lub MOSFET jako elementu regulacyjnego. Przyjmując, że blok ł zgodnie z rys. 2.2, stanowi zewnętrzny dzielnik napięcia R1, R2 w ł ł ł układach jak na rys. 3.1, możemy zapisać odpowiednie wyrażenia zgodnie ze wzorem (2.4), opisujące zależność stabilizowanego napięcia wyjściowego UO od napięcia odniesienia UREF. Zależności te podano na schematach poszczególnych układów stabilizatorów. a) b) Is UREF T T UI IRF540 IRF540 UREF Is UI R1 R1 UREF UREF ł ł R2 ł ł R2 R2 UO = U ł ł RL Uo R2 REF UO = UREF ł1+ ł Uo RL ł ł ł1+ R1 ł ł łł R1 ł łł 0 0 0 0 c) d) Is Is T UI T UI IRF540 IRF9540 UREF UREF R1 R1 ł ł ł ł R1 R1 ł ł UREF R2 UREF R2 UO = UREF ł1+ ł ł ł UO = UREF ł1+ ł Uo RL Uo RL R2 R2 ł łł ł łł 0 0 0 0 Rys. 3.1. Podstawowe układy liniowych kompensacyjnych stabilizatorów napięcia. (a), (b) i (c) układy stabilizatorów wtórnikowych, oraz (d) stabilizator typu LDO. - 5 - 1 1 Q1 Q1 A B 1 Q1 Q2 Q3 1 Q1 C D Rys. 3.2. Elementy regulacyjne - podstawowe sposoby sterowania wyjściem stabilizatora. W tabeli 3.1, zestawiono własności poszczególnych układów sterownia elementami regulacyjnymi i elementów regulacyjnych pokazanych na rys. 3.2, w układach kompensacyjnych stabilizatorów liniowych. Tabel. 3.1 Podstawowe własności układów sterowania elementami regulacyjnymi z rys. 3.2. Układ sterowania A B C D UDROPOUT [min] > UBE UCEsat < 0.2V UCEsat < 0.2V UCEsat PNP + UBE NPN < 1.5V Impedancja Niska Wysoka Wysoka Wysoka wyjściowa Pasmo Szerokie Wąskie Wąskie Wąskie Warunkowa Warunkowa Warunkowa Stabilność Bezwzględna zależna od CL zależna od CL zależna od CL Rodzaj Podwójny sterowania Wtórnik Inwerter Inwerter Inwerter obciążeniem Stabilizator prądu w najprostszy sposób można zrealizować, poprzez wykorzystanie istniejącego już 3-końcówkowego stabilizatora napięcia, w którym pomiędzy wyjście, a masę stabilizatora (końcówka GND lub ADJ) włączony jest rezystor RO lub RS próbkujący przepływający prąd jak to pokazano na rys. 3.3. I s UO Stabilizator Uo IO = T RO ADJ UREF Uo RO R1 Io UREF ł ł UREF R2 R2 IO = ł1+ ł RO Uo RO ł R1 ł ł łł Io RL RL IO = const 0 Rys. 3.3. Układ stabilizatora prądu (a) z wykorzystaniem stabilizatora napięcia, (b) ideowy schemat równoważny. - 6 - Rozwiązanie to umożliwia w prosty sposób realizację stabilizatorów prądu z wykorzystaniem topologii układowych z rys. 3.1 (a) i (b) scalonych 3-końcówkowych stabilizatorów napięcia. W przypadku układów stabilizatorów, w których napięcie odniesienia UREF podłączone jest pomiędzy masę układu scalonego i wejście wzmacniacza błędu (rys. 3.1 (c)) jak przypadku układów L200, czy stabilizatora uniwersalnego uA723, najczęściej w celu zabezpieczenia nad prądowego lub przejścia układu w stabilizację prądu stosuje się dodatkowy układ ze wzmacniaczem błędu w postać pojedynczego tranzystora lub WO. Na rys. 3.4, pokazano dwa równoważne sposoby realizacji układów stabilizacji prądu w których uzyskuje się zmniejszenie prądu obciążenia przy zmniejszeniu rezystancji obciążenia (FoldBack), a więc o charakterystyce jak na rys. 3.5. W układzie tym w odróżnieniu od klasycznych stabilizatorów prądu, poza rezystorem pomiarowym RO znajduje się dodatkowy dzielnik napięcia zbudowany na rezystorach R4 i R5. UI Is Is T UI T R4 R4 UBE = USENSE USENSE Ro Ro UREF UREF R1 R1 Io Io R5 R5 UREF R2 UREF R2 Uo RL Uo RL 0 0 0 0 Rys. 3.4. Układy stabilizatorów z układem stabilizacji prądu ze zmniejszonym prądem zwarciowym. U UO Imax = IK IZ I Rys. 3.5. Charakterystyka prądowo-napięciowa układów z rys. 3.4. Analizując pracę obu układów należy podkreślić, że do uzyskania takiej samej wartości prądu IO = IK jak w układzie klasycznym w którym R5 " spadek napięcia na rezystorze RO musi być większy od wartości napięcia panującego na rezystorze R4. Wynika stąd, że rezystancja próbkująca RO musi więc być większa ! Stosując układ z ograniczeniem prądu typu FoldBack pokazany na rys. 3.4, nie należy przyjmować zbyt dużego stosunku IK/IZ, ponieważ prowadzi to do wyraznego pogorszenia sprawności stabilizatora (w szczególności w układach stabilizatorów niskich napięć), - 7 - powiększonych strat mocy w rezystorze RO i pogorszeniu się współczynnika stabilności od zmian obciążenia. Poniżej podano odpowiednie zależności do obliczania (syntezy i analizy) układów ograniczenia i stabilizacji prądu z rys. 3.4. Aby uniknąć zadziałania układu przy prądach niższych niż znamionowy należy sprawdzić, czy warunek IMAX/IZ > 1, jest spełniony w całym zakresie napięć wyjściowych UO (stabilizator regulowany) i prądów, oraz temperatur elementu regulacyjnego. Ponadto w celu wydatnego zmniejszenia strat, jakie powstały przy obciążeniu znamionowym w rezystorze RO, gdy jest duży stosunek IMAX/IZ, korzystne jest zmodyfikowanie układu. Przy obniżeniu rezystancji RO, pociąga to jednak za sobą konieczność zmiany IZ, a tym samym zmiany stosunku IMAX/IZ. Zmniejszenie rezystancji RO, przy zachowaniu takiego samego stosunku IMAX/IZ jest możliwe tylko i wyłącznie poprzez obniżenie napięcia USENSE. USENSE 1 USENSE UO + IK RO RO = (2.1) IZ = (2.3) ł ł IZ ł RO USENSE +UO ł1- USENSE ł IK -1łł ł łł ł UO ł IZ łłłł ł ł ł ł USENSE IK ł -1ł ł UO ł IZ łł IK (R4 + R5) ł R4 = R5 (2.2) IZ = (2.4) ł ł ł ł USENSE IK UO ł -1ł ł ł ł 1- R4ł +1ł + R5 UO ł IZ łł ł łUSENSE łł W scalonych stabilizatorach napięcia często stosuje się taki sposób ograniczenia prądu wyjściowego, że poza zakresem stabilizacji moc wydzielana w układzie stabilizatora powiększa się umiarkowanie lub nie powiększa się dzięki zastosowanej automatycznej regulacji wewnętrznego napięcia odniesienia Usense, np. w zależności od wydzielanej temperatury związanej ze wzrostem mocy traconej. Jednym z niewielu produkowanych na świecie stabilizatorów monolitycznych z układem zabezpieczenia prądowego, nadnapięciowego i termicznego, oraz automatyczną regulacją mocy traconej jest układ L200. - 8 - 4. Badane układy 4.1. Stabilizator napięcia i prądu z układem scalonym L200 Układ scalony L200 zaproponowany przez firmę SGS-Thomson jest monolitycznym stabilizatorem napięcia i prądu. Podstawowe właściwości stabilizatora L200 to płynnie regulowane napięcie wyjściowe UO od 2.75V do 30V (za pomocą pojedynczego rezystora), ustawiane zabezpieczenie prądowe, lub możliwość regulacji płynnej prądu wyjściowego IO od ok. 20mA do 2A za pomocą zewnętrznego inwertera w postaci pojedynczego WO. Ponadto układ L200 wyposażony został przez konstruktorów w szereg zabezpieczeń takich jak: ogranicznik prądu IOmax = 2A, mocy traconej (zgodnie z wykresem SOA karta katalogowa), wyłącznik termiczny 150C, zabezpieczenie przed zbyt wysokim napięciem wejściowym (do 60V przez 10ms) i różnicą napięć pomiędzy wejściem i wyjściem większą niż 33V, które czynią go teoretycznie niezawodnym i eliminują w praktyce potrzebę realizacji szeregu układów zabezpieczających i posiadania całej gammy scalonych stabilizatorów napięć stałych. a) b) 5 4 1 WEJŚCIE 5 WYJŚCIE 3 ELEMENT REGULACYJNY 2 1 ZABEZPIECZENIE SOA yRÓDAO yRÓDAO WZMACNIACZ KOMPARATOR 2 OGRANICZENIE PRDOWE NAPICIA BAEDU NAPICIA REFERENCYJNEGO PRDOWE 4 NAPICIE CZUJNIK ODNIESIENIA TERMICZNY 3 MASA Rys. 4.1.1. a) Schemat blokowy i b) opis wyprowadzeń widok z góry układu scalonego L200. Tab. 4.1.1. Podstawowe parametry charakterystyczne scalonego stabilizatora L200 Warunki Wartości Symbol Parametr Jedn. pomiaru Min Typ Max Stabilizator napięcia T = 25 C
Uo Zakres napięć wyjściowych Io = 10mA 2.85 <> 36 V Współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego Imin = 10mA "Uo/Uo 0.1 0.15 1 % " " " od zmian obciążenia Imax = 1,5A Współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego UI = 8...20V "Uo/"UI 0.1 <> 0.39 % " " " " " " od zmian napięcia wejściowego Uo = 5V Spadek napięcia pomiędzy wejściem i wyjściem Uo - UI Io = 1.5A 2 2.5 3 V układu (pin 1 i 5) UI = 10V, Uo = UREF Zo Impedancja wyjściowa Io = 500mA 1.5 1.5 3 m&! F = 100Hz Stabilizator prądu T = 25 C
Wewnętrzne napięcie odniesienia UI = 10V, Uo = UREF USC 0.38 0.45 0.52 V komparatora-ogranicznika prądu (pin 2 i 5) Io = 100mA UI Uo = 14V ISC Szczytowy prąd zwarcia (pomiędzy pin 2 i 5 < < 3.5 A włączono RSC < 0.01&!) Współczynnik stabilizacji prądu wyjściowego od IO ą"IO "Io/Io 0.9 1 1.5 % " " " zmian obciążenia IO = 1A, "IO = 1A - 9 - 4.1.1. Stabilizator napięcia z ograniczeniem prądowym z układem scalonym L200. Rozwiązanie układowe. Na rys. 4.1.1.1. przedstawiono schemat ideowy stabilizatora napięcia w postaci podstawowej aplikacji układu scalonego L200. W układzie tym można programować lub regulować w sposób ciągły za pomocą rezystora R5 stabilizowane napięcie wyjściowe UO zgodnie z zależnością ł ł R5 ł ł UO = + ł1 R6 łUREF (4.1.1.1) ł łł w zakresie UREF < UO < (UI -UREF -UBE ). W układzie tym pomiędzy końcówką 3 i 4 a więc na rezystorze R6 panuje napięcie referencyjne UREF - rozwiązanie układowe z rys. 3.1 (c). Natomiast maksymalny prąd wyjściowy w tym konkretnym przypadku jest ograniczony do wartości zgodnie ze schematem rys. 4.1.1.1 USC 0.45V IO max = = (4.1.1.2) R4 0.47&! a więc zdeterminowany jest wartością rezystora próbkującego R4 . Zgodnie z karta katalogową układu L200 rezystor R6 może przyjmować wartości z zakresu od 330&! do 1.5k&!. Projektowanie stabilizatora w aplikacji jak na rys. 4.1.1.1, sprowadza się do wyznaczenia stosunku rezystancji R5 / R6 zgodzie zależnością (4.1.1.1), oraz wyznaczenia sumy rezystancji R5 + R6 , co umożliwi wyznaczenie konkretnych wartości R5 i R6 , przyjmując określony prąd dzielnika napięciowego (spoczynkowy) od 4mA do 9mA. Rezystancje R5 i R6 można również wyznaczyć z zależności (4.1.1.1), przyjmując zalecane wartości R6 podane przez producenta w zależności od napięcia wyjściowego jak to pokazano w tabeli Uo ą 20% R6 ą 5% ą ą ą ą ą ą 5V 1.5k&! &! &! &! 12V 1k&! &! &! &! 15V 750&! &! &! &! 18V 330&! &! &! &! 24V 510&! &! &! &! W przypadku gdy chcemy aby napięcie wyjściowe było płynnie regulowane za pomocą R5 , to R6 ma ustaloną optymalną wartość podaną przez producenta równą 820&!. R4 JP1 0.47 JP2 1 2 1 IN LIM 1 2 2 3 3 IC1 4 4 +C1 C2 L200C R5 +C3 IN 1000u/50 220n * 220u/50 OUT 0 0 0 0 0 0 R6 * 0 Rys. 4.1.1.1. Schemat ideowy programowanego stabilizatora napięcia z zabezpieczeniem prądowym z układem scalonym L200. - 10 - 5 OUT GND VREF 3 4 4.1.2. Regulowany stabilizator napięcia i prądu z układem scalonym L200. Rozwiązanie układowe i projektowanie. W celu jednoczesnej realizacji regulowanego stabilizatora napięcia i prądu z układem L200 w układzie tzw. pętli prądowej L200, zastosowano WO pracujący w układzie inwertera asymetrycznego jak na rys. 4.1.2.1. Inwerter ten stanowią rezystory R2 i R3, oraz WO LM741 zasilany asymetrycznie (rys. 4.1.2.2). Przepływający prąd przez rezystor próbkujący R4, powoduje na nim spadek napięcia równy IOR4 . Spadek ten jest równy spadkowi napięcia na R3 ze znakiem przeciwnym IOR4 = -ISC R3 . W oczku R1, R2 i R3 suma spadków napięć jest równa 0V. Na tej podstawie możemy zapisać następujące równanie ISCR3 + ISC R2 + USC = 0 . Podstawiając za R4 ISC = -IO , otrzymujemy ostatecznie R3 USC IO = (4.1.2.1) ł ł R2 ł ł R4ł + 1ł R3 ł łł Pomiędzy końcówkami 2 i 5 układu scalonego L200 powstaje spadek napięcia USC zależny od stosunku rezystancji R2/R3 i prądu obciążenia Io. Jeżeli przy danym prądzie obciążenia płynącym przez R4 stosunek wartości rezystancji R2/R3 jest tak dobrany, że ł ł R2 ł ł IOR4ł + 1ł > 0.45 V , w temperaturze 300K, R3 ł łł to zwiększanie napięcia wyjściowego (np. za pomocą R5) przy tej samej rezystancji RO obciążenia podłączonej do zacisków wyjściowych JP2 nie spowoduje wzrostu prądu, ponieważ Io jest stabilizowany. R1 R2 R3 1k 100k 120 R4 JP1 R0 2 0.47 JP2 1 2 6 1 IN LIM 3 2 1 10 IC2 3 2 IC1 LM741 4 3 +C1 C2 L200C 4 R5 +C3 IN 1000u/50 220n 4.7k 220u/50 OUT 0 0 0 0 0 0 0 R6 820 0 Rys. 4.1.2.1. Schemat ideowy regulowanego stabilizatora napięcia i prądu z układem scalonym L200. - 11 - 5 7 OUT GND VREF 4 3 4 - + R1 R2 R3 ISC 1k USC R4 0.47 2 - 6 3 + 4 UO Ro Rys. 4.1.2.2. Schemat inwertera pracującego w pętli prądowej ze stabilizatorem L200. 500 USC nom 800mA 600mA IO = 1A 500mA 400 400mA IO = 300mA 300 200 100 0V 0 0.1K 0.2K 0.3K 0.4K 0.5K 0.6K 0.7K 0.8K 0.9K 1.0K 1.1K 1.2K 1.3K 1.4K 1.5K R2 [&!] Rys. 4.1.2.3. Charakterystyki inwertera z rys. 4.1.2.2. Wartości rezystancji przyjęto odpowiednio R4 = 0.1&!, R3 = 100&!, R1 = 1k na podstawie karty katalogowej firmy SGS -Thomson. Projekt programowanego lub regulowanego stabilizatora napięcia i prądu z układem L200 sprowadza się odpowiednio do obliczenia wartości rezystorów R6 i R5 układu stabilizatora napięcia zgodnie z procedurą podana w pkt. 4.1.1. i zaprojektowania inwertera ze WO (LM741, TL061 lub podobne) zgodnie z wyprowadzonymi zależnościami w pkt. 4.1.2. W ostatnim przypadku projektu stabilizatora prądu należy obliczyć wartość rezystancji R3 przyjmując, że wartość maksymalna rezystancji nastawnej R2 (prąd minimalny) jest wcześniej znana i dodatkowo podany jest zakres regulacji prądu wyjściowego IOmin...IOmax. Gdy R2 = 0, to prąd stabilizowany jest równy IOmax = USC/R4. Przy projektowaniu można również przyjąć ustaloną wartość rezystora R3 z zakresu od 100&! do 500&!, a R2 obliczamy dla zadanej górnej wartości prądu, który będzie prądem stabilizowanym. Małe wartości rezystancji R3 przyjmujemy wówczas gdy chcemy regulować prąd w zakresie od wartości minimalnej do ok. 200mA, natomiast w przypadku regulacji prądu powyżej 1A wtedy R3 przyjmuje duże wartości > 500&!. Rezystor próbkujący R4 ma przyjętą wartość równą 0.47&!. W celu przedstawienia zasady regulacji napięć i prądów przy użyciu stabilizatora L200C, z zastosowaniem dodatkowego inwertora w pętli prądowej, na wspólnym wykresie pokazano pomiarowe charakterystyki prądowo-napięciowe (krzyżowe) układu w tzw. Obszarze Bezpiecznej Pracy (SOA Safe Operation Area) rys. 4.1.2.4. - 12 - SOA - Obszar Bezpiecznej Pracy 18 Uo = 18V Io = 425mA 16 Io =200mA RO " Stabilizacja napięcia Io = 100mA 14 " Stabilizacja prądu Io = 50mA 12 RO Uo = 10V 10 8 Uo = 6V 6 L200C Warunki pomiaru 4 UI = 33V ą 1V Uo = 3V Tj = 30C 2 opracowal dr M Zaradny 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Io [A] Rys. 4.1.2.4. Pomiarowe charakterystyki prądowo-napięciowe stabilizatora L200C uzyskane w układzie jak na rys. 4.1.2.1. 4.1.3. Realizacja układów. Płytka drukowana, montaż i uruchomienie Do montażu i pomiarów obliczonego stabilizatora napięcia z zabezpieczeniem nad prądowym z punktu 4.1.1 służy dedykowana drukowana płytka montażowa, której widok przedstawiono na rys. 4.1.3.1. Struktura płytki umożliwia montaż z kilku dyskretnych elementów biernych i układu scalonego L200 szeregu stabilizatorów napięcia, w podstawowej aplikacji, które schemat ideowy przedstawiono na rys. 4.1.1.1. W celu samodzielnej realizacji, montażu i pózniejszych pomiarów laboratoryjnych programowanego stabilizatora napięcia i prądu z punktu 4.1.2 o schemacie ideowym jak na rys. 4.1.2.1, przedstawiono drukowaną płytką montażową, której widok przedstawiono na rys. 4.1.3.2. Struktura płytki umożliwia montaż z elementów biernych, układu scalonego wzmacniacza operacyjnego LM741 i wykonawczego układu stabilizatora scalonego L200, programowanego tzw. stabilizatora krzyżowego (prądowo-napięciowego), bądz zgodnie z uproszczeniami zaznaczonymi kolorem czerwonym i zielonym struktura płytki umożliwia również realizację układu z rys. 4.1.1.1. To zadanie projektowo-laboratoryjne przeznaczone jest w szczególności dla studentów chcących wykazać się umiejętnością samodzielnego projektowania i realizacji eksperymentalnej w kierunku bardziej zaawansowanych układów elektronicznych. Samodzielne wykonanie płytki drukowanej z rys., montaż i uruchomienie, oraz poprawna weryfikacja i interpretacja charakterystyk pomiarowych stabilizatora napięciowo-prądowego zasługują na ocenę celującą. Obie płytki drukowane zawierają część wmontowanych na stałe elementów. Są to: gniazda i końcówki pomiarowe JP1 i CON1, oraz JP2 i CON2 odpowiednio wejścia i wyjścia stabilizatora, kondensatory zabezpieczające C1 i C2 przed pojawieniem się składowej zmiennej na wejściu, w przypadku zasilania stabilizatora z laboratoryjnego zasilacza regulowanego. W przypadku statycznych - 13 - Uo [V] pomiarów charakterystyk przejściowych, wyjściowych itp. stabilizatora wielu długich przewodów łączących przyrządy pomiarowe istnieje realne ryzyko wzbudzenia się stabilizatora. W tym celu można wyeliminować efekty wzbudzania się stabilizatora przez zastosowanie i dobór empiryczny pojemności kondensatora blokującego C2 (np. 100nF, 220nF). Montażu elementów dokonujemy w następujący sposób: (i) gniazda, elementy mechaniczne mocowania radiatora układu scalonego, elementy bierne, (ii) półprzewodniki, przewody zasilające i pomiarowe. Przed uruchomieniem układu należy dokładnie sprawdzić jakość połączeń lutowanych, poprawne i zgodne ze schematem ideowym połączenia wszystkich elementów i ich wartości !!!. Ostateczne przed uruchomieniem należy skonsultować się z prowadzącym zajęcia laboratoryjne. Rysunki płytek drukowanych PCB z zachowaniem liniowej skali 2:1. Rys. 4.1.3.1. Widok płytki drukowanej od strony elementów do montażu stabilizatorów napięcia z układem L200. Rys. 4.1.3.2. Widok uniwersalnej płytki drukowanej od strony elementów do montażu stabilizatorów napięcia (bez R0, R1, R2, R3 i IC2) i stabilizatorów napięciowo-prądowych, z układem L200. - 14 - 5. Projekt układu Istotą niniejszego ćwiczenia jest wcześniejsze zaprojektowanie układu wskazanego stabilizatora o zadanych parametrach, a następnie jego montaż i pomiary na laboratorium. W tym celu student powinien się zgłosić po temat do prowadzącego zajęcia nie pózniej niż 7 dni przed terminem rozpoczęcia laboratorium. Temat projektu określa: 1. Układ stabilizatora 2. Zakres zmian napięcia wejściowego ą "UI 3. Napięcie wyjściowe U0 prąd wyjściowy I0 5. Użyte elementy półprzewodnikowe Ponadto wykonany projekt powinien zawierać: 1. Obliczenia projektowe (w tym rysunek układu zawierający: oznaczenia i wartości rezystorów oraz kondensatorów, zwroty napięć oraz prądów i ich wartości, charakterystyki, odpowiednie wzory). W przypadku układu scalonego (np. L200) odpowiednie notatki i obliczenia można wykonywać we własnej wydrukowanej do tego celu karcie katalogowej. 2. Jeśli to możliwe - analizę programem PSpice 3. Wykaz elementów 4. Obliczenia radiatora (dopuszczalne straty mocy) Gotowy staranny projekt należy oddać do sprawdzenia prowadzącemu zajęcia przed rozpoczęciem laboratorium. Jest to warunek konieczny dopuszczenia do ćwiczenia !!! 6. Program ćwiczenia Na podstawie wykonanego projektu należy zmontować układ stabilizatora. Celowe jest wcześniejszy sprawdzenie lub pomiar wartości użytych elementów. Należy również zamontować obliczony radiator dla tranzystora regulacyjnego lub układu scalonego. Należy unikać zbyt dużej mocy traconej w elemencie regulacyjnym lub układzie scalonym ze względu na wzrost temperatury co prowadzi do zmiany warunków dokonywanego pomiaru. 6. 1. Zasilanie sieciowe Układ prostownika sieciowego, przedstawiony w ćwiczeniu zasilacze niestabilizowane, należy zestawić zgodnie z rys. 6.1.1. Symulację zmian napięcia sieci umożliwia autotransformator. Sieć energetyczna Transformator Stabilizator Autotransformator Prostownik AC~230V Ochronny AC~0...250V Liniowy 230V/18V Rys. 6.1.1. Układ regulowanego prostownika sieciowego. Prostownik z transformatorem sieciowym wykorzystany w ćwiczeniu z prostownikami pozwala na współpracę ze stabilizatorami pobierającymi prąd maksymalny Iwemax = 0.75A. W przypadku stabilizatora o większym poborze prądu, należy zastosować regulowany zasilacz laboratoryjny o większym prądzie maksymalnym. - 15 - 6. 2. Układ pomiarowy Układ pomiarowy stabilizatorów napięcia lub prądu przedstawiono na rys. 6.2.1. Io II A A Prostownik Stabilizator lub V RL V Uo UI Zasilacz Rys. 6.2.1. Układ pomiarowy stabilizatorów. 6. 3. Pomiary i zadanie laboratoryjne 6. 3. 1. Pomiary tętnień W przypadku zasilania stabilizatora (rys. 6.1.1) zasilaczem niestabilizowanym z ćwiczenia nr1, wyznaczyć metodą oscyloskopową tętnienia prostownika kt oraz stabilizatora kts przy prądzie wyjściowym IO < IOmax. Pomiar należy przeprowadzić dla wybranych wartości kondensatora filtrującego. 6. 3. 2. Stabilizator napięcia 6. 3. 2. 1. Pomiar charakterystyki U0 = f(UI), RL - parametr 1. Zmierzyć U0=f(UI) dla kilku wskazanych wartości rezystancji obciążenia RL, tak że IO < IOmax. 2. Wykreślić zmierzone charakterystyki U0=f(UI). 3. Określić zakresy stabilizacji "U0 dla ustalanych rezystancji obciążenia oraz obliczyć współczynniki stabilizacji Su. 4. Określić tzw. Dropout stabilizatora dla wskazanych wartości rezystancji RL 6. 3. 2. 2. Pomiar charakterystyki U0 = f(I0), UI - parametr 1. Zmierzyć U0 = f(I0) dla kilku wskazanych wartości napięcia wejściowego UI. 2. Wykreślić zmierzone charakterystyki U0 = f(I0). 3. Zaznaczyć zakres stabilizacji "U0 i wyznaczyć rezystancję RłO stabilizatora. 4. Wyznaczyć współczynnik stabilizacji od zmian obciążenia SRL, przyjmując maksymalny prąd IO nie powodujący przejść układu w stabilizację prądu 5. Zmierzyć U0 = f(I0), tuż poza zakresem stabilizacji napięcia na kolanie charakterystyki . 6. Zmierzyć prąd zwarcia IZ, dla trzech wskazanych wartości napięcia UI Uwaga! Zmiany wartości prądu IO uzyskujemy przez dyskretną zmianę rezystancji obciążenia RL. - 16 - 6. 3. 3. Stabilizator prądu (podpunkt 4.1.2) 6. 3. 3. 1. Pomiar charakterystyki I0 = f (UI), RL - parametr 1. Zmierzyć I0 = f(UI) dla kilku wskazanych wartości rezystancji obciążenia RL. 2. Wykreślić zmierzone charakterystyki I0=f(UI). 6. 3. 3. 2. Pomiar charakterystyki I0 = f(U0), UI parametr 1. Zmierzyć I0 = f(U0) dla kilku wskazanych wartości napięcia wejściowego UI. 2. Zmierzyć prąd zwarcia I0 = f(U0 = 0V) dla dwóch znacznie się różniących wskazanych wartości napięcia wejściowego UI 3. Wykreślić zmierzone charakterystyki I0 = f(U0). Uwaga! Zmiany wartości prądu UO uzyskujemy przez dyskretną zmianę rezystancji obciążenia RL. 7. Zagadnienia 1. Definicje parametrów oraz charakterystyki stabilizatorów napięcia i prądu. 2. Schemat blokowy i zasada działania stabilizatora kompensacyjnego o pracy ciągłej. 3. Graficzna interpretacja działania kompensacyjnego stabilizatora napięcia przy zmianie rezystancji obciążenia oraz zmianie napięcia wejściowego. 4. Metody poprawy parametrów stabilizatora kompensacyjnego. 5. Rodzaje zabezpieczeń nadprądowych i stabilizatorów prądu. 6. Rozwiązania układowe stabilizatorów napięcia i prądu. 7. Układ scalony L200: budowa, działanie, parametry i zastosowania. 9. Sprawność, straty mocy oraz dobór radiatorów. 10. Projektowanie stabilizatorów z wykorzystaniem układu scalonego L200 i zasada działania. 8. Literatura [1] Antoszkiewicz K., Nosal Z., Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych , WNT, 1998 [2] Baranowski J., Czajkowski G., "Układy elektroniczne. Część I", WNT, ,1994. ss. 391-426 [3] Borkowski A., Układy scalone w stabilizatorach napięcia stałego , WNT 1985 [4] Borkowski A., Zasilanie urządzeń elektronicznych , WKA, 1990, 98-198, 295-356 [5] Golde W., "Układy elektroniczne. Część II", WNT, , 1976. ss.261-286 [6] Kuta S., Układy elektroniczne. Część I , AGH, 1995, ss. 423-466 [7] Kwaśniewski S., Stabilizatory napięcia. Dane i zastosowania. Tom I i II , Gdańsk, 1996 [8] SGS-Thomson ICs Databook, 1993 [9] Pawłowski J., "Układy elektroniczne. Nieliniowe układy analogowe ", WNT, 1975. ss. 131-176 [10] SGS-Thomson, Application Note AN255/1288 [11] Tietze U., Schenk Ch., Układy półprzewodnikowe WNT 1997 [12] J. Witkowski, Układy Elektroniczne I wykłady [13] Z. Musiałowski, Laboratorium układów elektronicznych. Cz. I , Oficyna wyd. PWr., 1998 - 17 - 9. Przygotowanie do ćwiczenia Przed realizacją ćwiczenia studenci otrzymują od prowadzącego zajęcia zadanie i odpowiednie założenia projektowe. W zadaniu określony jest układ stabilizatora z wykorzystanie układu scalonego L200, a więc może to być programowany stabilizator napięcia z zabezpieczeniem prądowym (obowiązkowo), lub programowany stabilizator napięciowo-prądowy ( wówczas można samodzielnie wykonać płytkę drukowaną ). Student dopuszczony będzie do ćwiczenia na podstawie znajomości ćwiczenia i zagadnień teoretycznych dotyczących ćwiczenia (zaliczona kartkówka), a ponadto warunkiem koniecznym jest staranne przygotowanie zadania projektowego i szablonu ćwiczenia według poniższych wskazówek. 9. 1. Zadanie projektowe 1. W zadaniu należy przedstawić sposób wyznaczania elementów układu i ich wartości np. według procedury podanej w opisie do ćwiczenia pkt. 4. parametry zadane i uzyskane. Należy pamiętać o doborze wartości elementów (w szczególności rezystorów) ze znormalizowanych szeregów nie większych niż E-24 (tj. dokładność nie lepsza niż 5%). Na płytce drukowanej (rys. 4.1.3.1) dla rezystorów programujących R5 i R6 przewidziano równoległe miejsca lutownicze, tak że każdy z rezystorów może stanowić równoległe połączenie dwóch rezystorów z szeregu 5% w celu uzyskania dowolnego stabilizowanego napięcia wyjściowego. 2. Schemat ideowy układu z naniesionymi symbolami zgodnie z instrukcją do ćwiczenia i obliczonymi wartościami elementów. 3. Na papierze milimetrowym przed ćwiczeniem należy przygotować i nanieść odpowiednie przewidywane skale mierzonych wartości i wielkości (np. dla Uo = f(Io), Uo = f(UI), gdzie parametrem są odpowiednio UI, oraz IO). Każdą z charakterystyk lub rodzinę charakterystyk należy przygotować na osobnym wykresie (stronie). 4. Na płytce drukowanej PCB należy naszkicować (najlepiej kolorami), rozmieszczenie wykorzystywanych elementów, zaznaczyć ich symbole i wartości zgodnie ze schematem. Wskazówka - rys. 4.1.3.2. 9. 2. Szablon 1. Strona tytułowa (http://qe.ita.pwr.wroc.pl/~zue/) 2. Na schemacie ideowym z pkt. 9.1. (2), należy pozostawić miejsce na wpisanie wartości rezystancji rezystorów R5, R6 i R4 (opcjonalnie dla schematu z rys. 4.1.2.1, rezystorów R1, R2, R3) uzyskanych w wyniku pomiaru multimetrem. 3. Tabela wyników obliczeń i pomiarów, oraz pomiarów wskazanych charakterystyk stabilizatora opisanych w zadaniu laboratoryjnym pkt. 6.3. Wzór w instrukcji do ćwiczenia str. 22-23. 4. Samodzielnie przygotowane siatki wykresów w skali liniowej na papierze milimetrowym jak to podano już w pkt. 9.1 (3), lub odpowiednio przygotowane wcześniej, wykonane na komputerze i wydrukowane. - 18 - 5. Na ostatniej stronie szablonu sprawozdania należy zamieścić wnioski i spostrzeżenia. W tym celu należy przygotować jedną wolna stronę zatytułowaną Wnioski i spostrzeżenia . 6. W trakcie ćwiczenia należy wykonać spis użytej aparatury i przyrządów pomiarowych wraz z ich symbolami i numerami inwentarzowymi. 7. Jeśli w zadaniu projektowym określono więcej niż jedno napięcie i/lub prąd stabilizowane, wówczas dla każdego przypadku należy wypełnić osobną tabelą wg. wzoru podanego na str. 20-21 instrukcji. Sprawozdanie należy wykonać w czasie zajęć laboratoryjnych i oddać prowadzącemu bezpośrednio po ich zakończeniu !!! W celu sprawnego wykonania ćwiczenia i sporządzenia sprawozdania, należy przed planowym terminem zajęć starannie się przygotować zgodnie z wytycznymi. Aącznie ze sprawozdanie oddajemy na papierze część dotyczącą zadania projektowo-obliczeniowego zadanego przez prowadzącego !!! Wszystkie strony sprawozdania i projektu muszą być ponumerowane, podpisane i spięte przed oddaniem prowadzącemu ! - 19 - R4 R5 R6 Obliczone Wybrane wartości z szeregu E-24 Zmierzone Odpowiednie wartości wpisujemy odpowiednimi kolorami zgodnie z pierwszą kolumną R4 JP1 0.47 JP2 1 2 1 IN LIM 1 2 2 3 3 IC1 4 4 +C1 C2 L200C R5 +C3 IN 1000u/50 220n * 220u/50 OUT 0 0 0 0 0 0 R6 * 0 - 20 - 5 OUT GND VREF 3 4 R2 R3 R4 R5 R6 Obliczone Wybrane wartości z szeregu E-24 Zmierzone Odpowiednie wartości wpisujemy odpowiednimi kolorami zgodnie z pierwszą kolumną R1 R2 R3 1k 100k 120 R4 JP1 R0 2 0.47 JP2 1 2 6 1 IN LIM 3 2 1 10 IC2 3 2 IC1 LM741 4 3 +C1 C2 L200C 4 R5 +C3 IN 1000u/50 220n 4.7k 220u/50 OUT 0 0 0 0 0 0 0 R6 820 0 - 21 - 5 7 OUT GND VREF 4 3 4 - + Pomiary charakterystyki Uo = ł ł(UI) ł ł Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = L L L L L L L RL = RL = RL = RL = RL = RL = RL = SU = SU = SU = SU = SU = SU = SU = UI [V] Uo [V] UI [V] Uo [V] UI [V] Uo [V] UI [V] Uo [V] UI [V] Uo [V] UI [V] Uo [V] UI [V] Uo [V] - 22 - Pomiary charakterystyki Uo = ł ł(IO) ł ł Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = Uo dla R = " = L L L L L L L UI = UI = UI = UI = UI = UI = UI = SR = SR = SR = SR = SR = SR = SR = L L L L L L L Uo [V] Io [mA] Uo [V] Io [mA] Uo [V] Io [mA] Uo [V] Io [mA] Uo [V] Io [mA] Uo [V] Io [mA] Uo [V] Io [mA] - 23 -