Sprawozdanie stabilizowanie źródła napięcia PDF

Preview

Summary

Stabilizowane źródło napięcia na zdalnych 2020 semestr 3 metrologia elektrotechnika ...

Description

POLITECHNIKA POZNAŃSKA Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej ZAKŁAD METROLOGII, ELEKTRONIKI I TECHNIKI ŚWIETLNEJ Laboratorium Podstaw Elektrotechniki

Ćwiczenie nr 5 Temat: Stabilizowane źródło napięcia Data Wykonali:

Wykonania

Oddania

ćwiczenia

sprawozdania

Ocena: Uwagi:

1. Wprowadzenie

Pod pojęciem stabilizowanego źródła napięcia rozumieć należy układ, który z określoną dokładnością utrzymuje stałą wartość napięcia wyjściowego Uwy przy zmianach napięcia wejściowego Uwe oraz prądu obciążenia Io w dopuszczalnych granicach. W praktyce spotkać można dużą ilość układów stabilizacyjnych. Najprostszym układem stabilizacyjnym jest układ w którym elementem stabilizacyjnym jest dioda Zenera. Wykorzystuje ona efekt Zenera polegający na tunelowym przejściu elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodzenia półprzewodnika. Efekt ten występuje w silnie domieszkowanych półprzewodnikach. Przykładem stabilizowanego układu napięcia, którego zasada działania oparta jest na wykorzystaniu diody Zenera, przedstawiono na rysunku 3.1.

Rysunek 3.1 Stabilizowane źródło napięcia z wykorzystaniem diody Zenera

Sumaryczny prąd płynący przez rezystor R jest sumą prądów płynących przez diodę Zenera - Iz oraz rezystancję obciążenia Ro - Io. Oprócz prostych stabilizatorów, których praca oparta jest na stabilizacyjnych właściwościach diody Zenera, w układach praktycznych wykorzystuje się szereg monolitycznych stabilizatorów napięcia. Są to najczęściej trzykońcówkowe układy, o ustalonej wartości napięcia wyjściowego. Szczegółowy opis i budowa, tego typu układów elektronicznych, są zawarte w kartach katalogowych i nie będą w tym miejscu szerzej omawiane. Napięcie Zenera (napięcie przebicia) jest wielkością, przy której w zakresie zaporowym pracy diody następuje gwałtowny wzrost prądu diody. Charakterystykę prądowo-napięciową takiej diody przedstawiono na rysunku 3.2, gdzie Uz oznacza napięcie Zenera, Izmin minimalny prąd wsteczny, poniżej którego dioda nie posiada właściwości stabilizacyjnych, Izmax maksymalny prąd wsteczny, powyżej którego dioda może ulec uszkodzeniu. Podczas polaryzacji w kierunku przewodzenia, krzemowa dioda Zenera zachowuje się analogicznie jak każda dioda prostownicza. Wówczas spadek napięcia na tym elemencie jest rzędu ok. (0,6 – 0,7) V. Przy polaryzacji zaporowej, obszar charakterystyki znajdujący się w trzeciej ćwiartce układu współrzędnych, powyżej pewnej wartości napięcia, nazywanej napięciem Zenera następuje gwałtowny wzrost natężenia prądu przy niewielkiej zmianie napięcia. Tę własność wykorzystuje się przy zastosowaniu diody Zenera jako elementu stabilizującego. Zakres napięć, które mogą być stabilizowane, jest określony z jednej strony napięciem Uz, powyżej którego następuje gwałtowna zmiana prądu, a z drugiej strony napięciem Uz + Uz, przy którym prąd diody osiąga wartość maksymalną Iz max.

Rysunek 3.2 Charakterystyka prądowo – napięciowa diody Zenera

Maksymalną wartość tego prądu, zależną od dopuszczalnej mocy diody Pmax, można wyznaczyć z zależności 3.1:

Do najważniejszych parametrów takich diod zaliczyć należy: napięcie Zenera, rezystancję dynamiczną określa nachylenie charakterystyki, w obszarze zaporowym, przedstawionej na rysunku 3.2 w określonym punkcie pracy. Jej wartość można wyznaczyć jako iloraz przyrostu napięcia Zenera Uz do odpowiadającego mu przyrostu prądu Iz, na podstawie zależności 3.2:

Temperaturowy współczynnik napięcia stabilizowanego można wyznaczyć na podstawie zależności 3.3:

gdzie oznacza temperaturę. Stabilizacyjne działanie układu z diodą Zenera, przedstawionego na rysunku 3.1, można objaśnić przy wykorzystaniu charakterystyki prądowo – napięciowej przedstawionej na rysunku 3.3.

Rysunek 3.3 Graficzna interpretacja zasady działania stabilizacyjnego układu z wykorzystaniem diody Zenera

2. Układ pomiarowy

Pomiary wykonuje się w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 3.5. Przełącznik P1 służy do przełączania pomiędzy badanymi układami: układ z diodą Zenera – położenie DZ i stabilizator monolityczny 7805 – położenie U1. Przełącznik P2 jest przeznaczony do załączania obciążenia. W położeniu Zał do wyjścia układu dołączana jest rezystancja Ro oraz miliamperomierz, przeznaczony do pomiaru prądu obciążenia. W położeniu Wył obwód obciążenia jest odłączony. Woltomierz V1 służy do pomiaru napięcia wejściowego, V2 napięcia wyjściowego układu stabilizatora, natomiast V3 do pomiaru napięcia pomocniczego Up. Miliwoltomierz służy do pomiaru napięcia Ur, równego różnicy napięć wskazywanych przez woltomierze V2 i V3. Rezystor Ro służy do ustawiania określonej wartości prądu obciążenia Io, mierzonego z wykorzystaniem miliamperomierza.

Rysunek 3.5 Widok układu pomiarowego do badania stabilizowanych źródeł napięcia

3. Pomiary Tabela 3.1 Zestawienie wyników pomiarów dla wyznaczenia współczynnika stabilizacji S dla stabilizatora z diodą Zenera L.P.

Uwe [V]

ỼUwe [%]

Ur [mV]

ỼUr [%]

S -

ỼS [%]

1 2 3 4 5 6

10 11 12 13 14 15

0,75% 0,68% 0,63% 0,58% 0,54% 0,50%

0 7,5 30 44 60 64

0,00% 10,00% 2,50% 1,70% 1,25% 1,17%

0,75 2,25 1,4 1,6 0,4 -

25% 22% 26% 24% 53% -

Uwagi

I0=0A Up=5,2V

Ur

Uwe=f(Ur) 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

64 60

44

30

7,5 0

10

11

12

13

Uwe

14

15

Tabela 3.2 Zestawienie wyników pomiarów dla wyznaczenia rezystancji wewnętrznej Rw dla stabilizatora z diodą Zenera L.p. 1 2 3 4 5 6 7 8 L.p. 1 2 3 4 5 6 7 8

I0 mA 0,5 1 2 3 4 5 6 7 I0 mA 0,5 1 2 3 4 5 6 7

błąd I0 % 7,50 3,75 1,88 1,25 0,94 0,75 0,63 0,54 Błąd I0 % 7,50 3,75 1,88 1,25 0,94 0,75 0,63 0,54

Ur mV 8 10 14,5 18,5 23,5 27,5 33 39 Ur mV 13 14,5 17,5 20 22,5 26 28,75 31,5

błąd Ur % 9,38 7,50 5,17 4,05 3,19 2,73 2,27 1,92 Błąd Ur % 5,77 5,17 4,29 3,75 3,33 2,88 2,61 2,38

Rw om 4 4,5 4 5 4 5,5 6 Rw om 3 3 2,5 2,5 3,5 2,75 2,75 -

błąd Rw % 0,90 0,41 0,45 0,38 0,45 0,35 0,33 Błąd Rw % 1,15 0,58 0,68 0,68 0,50 0,62 0,62 -

Uwagi Uwe=10V Up=5,2V

Uwagi Uwe=15V Up=5,2V

Ur=f(I0) dla Uwe=10V 8 7 6 5 4

I0 [mA]

3 2 1 0 0

10

20

30

40

50

Tabela 3.3 Zestawienie wyników pomiarów dla wyznaczenia współczynnika stabilizacji S dla monolitycznego stabilizatora napięcia L.p. 1 2 3 4 5 6

V 10 11 12 13 14 15

% 0,75 0,68 0,63 0,58 0,54 0,50

mV 40,28 40,3 40,27 40,27 40,26 40,11

% 0,1002 0,100202 0,100201 0,100201 0,100201 0,100201

S -9,96336182 -10,9630873 -11,9628278 -12,9626164 -13,962574 -

Uwagi % 4,187116421 -2,63390663 -80,5531713 -7,9192127 -0,38687656 -

0A 5V

40,350000

40,300000

40,250000

40,200000

40,150000

40,100000 0

2

4

6

8

10

12

14

16

4. Wnioski 1. Dla pomiaru różnicy napięcia na wyjściu ΔUwy przy zmianie napięcia wejściowego Uwe możemy wysunąć następujące wnioski: -napięcie różnicowe wzrasta o rzędy miliwoltów wraz ze wzrostem napięcia wejściowego Pik współczynnika stabilizacji ma wartość 2,25 i sugeruję, że stabilizacja jest najlepsza dla mniejszych napięć, a wraz ze wzrostem stabilizacja słabnie. 2.Dla wyznaczenia rezystancji wewnętrznej Rw dla stabilizatora z diodą Zenera możemy zapisać następujące wnioski: -Rw jest w przybliżeniu stosunkiem błędy napięcia wejściowego do błędu prądu obciążenia -wraz ze wzrostem napięcia różnicowego wzrasta prąd obciążenia, a charakterystykę można w przybliżeniu nazwać liniową. -dla zwiększania prądu obciążenia napięcie na diodzie zenera w przypadku rzeczywistym będzie minimalnie maleć 3. Dla pomiaru różnicy napięcia na wyjściu ΔUwy w układzie wykorzystującym monolityczny stabilizator napięcia 7805 możemy wysunąć następujące wnioski: - Wraz ze wzrostem napięcia wejściowego, napięcie różnicowe spada o nieznaczną część miliwoltów, a stabilizacja pogarsza się wraz ze wzrostem napięcia wejściowego.

Wartości na minusie współczynnika stabilizacji mogą wynikać z błędu wzoru jego obliczania, gdyż napięcie różnicowe jest różnicą napięcia wejściowego i wyjściowego, które są uwzględnione we wzorze.

Błąd względny delta stabilizacji jest powiązany z błędami obu mierników, dlatego jest tak wysoki. Błędy względne składowych napięć są błędami odczytu i dokładności danego miernika...