Badanie_zasilaczy_niestabilizowanych_cw2

1. Slajd 1

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu
Społecznego
Materiały dydaktyczne pomocnicze i informacyjne do przedmiotu
PODSTAWY ELEKTRONIKI
Część II: „Badania laboratoryjne elementów i układów elektronicznych”,
zrealizowana w ramach zadania nr 9 projektu:
„Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na miarę sukcesu.”,
nr umowy: UDA-POKL 04.01.01. – 175/08-00.
Ćwiczenie 2:
Badanie zasilaczy niestabilizowanych.
dr inż. Marek Fijałkowski
Katedra Elektroniki i Systemów Inteligentnych
Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Świętokrzyskiej
Al. 1000-lecia P.P. 7, 25-314 Kielce
tel.: +48 41 34 24 203, e-mail: m.fijalkowski@tu.kielce.pl

2. Spis treści

1. Wstęp teoretyczny
1.1. Prostownik jednopołówkowy
1. 2. Prostownik dwupołówkowy z symetrycznym uzwojeniem wtórnym
1. 3 Prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym
1. 4 Zasilacze stabilizowane i niestabilizowane
2. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego
2.1. Badanie zasilaczy niestabilizowanych
2.1.1. Cel ćwiczenia
2.1.2. Pomiar charakterystyk wyjściowych
2.1.3. Obserwacja przebiegów czasowych
2.1.4. Opracowanie wyników pomiarów
3. Symulacje układów zasilaczy niestabilizowanych

3. 1. Wstęp teoretyczny

Prawie wszystkie układy i urządzenia elektroniczne, w celu zapewnienia
prawidłowego działania, muszą być zasilane napięciem stałym. Ponieważ zasilanie
z baterii lub akumulatorów ogranicza się w zasadzie do urządzeń przenośnych,
dlatego napięcia stałe otrzymuje się przez transformację i prostowanie napięcia
sieciowego. Prostowniki to układy elektroniczne przekształcające prąd
przemienny, najczęściej sinusoidalnie zmienny, na prąd stały. W prostownikach
wykorzystuje się zdolność do jednokierunkowego przewodzenia prądu przez
elementy półprzewodnikowe. Na wejście prostownika podawane jest napięcie z
sieci energetycznej prądu zmiennego (jednofazowej 230V lub trójfazowej
3x400V) lub uzwojenia wtórnego transformatora zasilającego. Do wyjścia układu
często przyłączony jest filtr pozwalający „wygładzić” napięcie wyjściowe.

4. Slajd 4

Klasyfikacja prostowników ze względu na:
a) sposób sterowania:
➢ niesterowalne (do budowy tych prostowników stosowane są diody
wykorzystujące zdolność jednokierunkowego przepływu prądu przez
złącze p-n).
➢ sterowalne (do budowy stosowane są odpowiednio sterowane tyrystory).
b) liczbę faz napięcia zasilającego:
➢ jednofazowe
➢ wielofazowe (trójfazowe)
c) strukturę układu:
➢ jednopołówkowe (półfalowe)
➢ dwupołówkowe (całofalowe)
d) charakter obciążenia:
➢ rezystancyjne
➢ pojemnościowe
➢ indukcyjne

5. 1.1. Prostownik jednopołówkowy

uab
D
t
T
T/2
~230V
R0
i
t
T/2
Rys. 1. Układ i przebiegi czasowe dla prostownika jednopołówkowego.
(napięcie wejściowe dodatnie)
T

6. 1.1. Prostownik jednopołówkowy

uab
D
t
T/2
~230V
T
R0
i
t
T/2
Rys. 2. Układ i przebiegi czasowe dla prostownika jednopołówkowego.
(napięcie wejściowe ujemne)
T

7. Slajd 7

Na uzwojeniu wtórnym transformatora występuje napięcie zmienne uab(t)
o wartości skutecznej U i amplitudzie Um
uab ( t ) = U m sin( t )
gdzie : U m = 2U
Do transformatora dołączone jest poprzez diodę D obciążenie, przedstawione jako
rezystor R0. Dioda przewodzi prąd tylko w jednym kierunku - wtedy, gdy do
anody doprowadzone jest napięcie dodatnie względem katody. Dioda przewodzi
zatem prąd tylko w czasie dodatnich półokresów napięcia zmiennego a prąd w
obwodzie ma kształt dodatnich połówek sinusoidy. Przy pominięciu spadku
napięcia na diodzie średnia wartość napięcia na obciążeniu U0 wznosi:
T
0
0
1
1
2U U m
U 0 = u0 ( t ) dt
2U sin( t ) d t =
=
= 0 ,45U = 0 ,32U m
T
2

8. Slajd 8

Dioda pracująca w prostowniku jednopołówkowym powinna posiadać następujące
parametry graniczne:
➢ dopuszczalny prąd anodowy Iamax
I a max
Um
2U
=
R0
R0
➢dopuszczalny średni prąd wyprostowany I0max
U 0 0 ,32U m 0 ,45U
I 0 max
=
=
R0
R0
R0
➢dopuszczalne napięcie wsteczne –URmax.
− U R max U m = 2U

9. 1.2. Prostownik dwupołówkowy z symetrycznym uzwojeniem wtórnym

D1
uab
R0
t
T
T/2
~230V
D2
i
t
T/2
Rys. 3. Układ i przebiegi czasowe dla prostownika dwupołówkowego.
(napięcie wejściowe dodatnie)
T

10. Slajd 10

1.2. Prostownik dwupołówkowy z symetrycznym uzwojeniem wtórnym
D1
uab
R0
t
T/2
T
~230V
D2
i
t
T/2
Rys. 4. Układ i przebiegi czasowe dla prostownika dwupołówkowego.
(napięcie wejściowe ujemne)
T

11. Slajd 11

W prostowniku dwupołówkowy z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (a-b i c-b)
uzwojenie a-b, dioda D1 i obciążenie R0 tworzą prostownik jednopołówkowy
zasilany napięciem zmiennym uab. Punkt b stanowi punkt odniesienia (masę)
układu. Uzwojenie c-b, dioda D2 i obciążenie R0 tworzą drugi prostownik
jednopołówkowy, zasilany napięciem zmiennym ucb. Napięcie ucb jest przesunięte
w fazie o 180° względem napięcia uab. Dzięki temu diody przewodzą prąd na
przemian w kolejnych połówkach okresu. W połówce okresu, w której końcówka
a ma potencjał dodatni względem punktu b (masy), przewodzi dioda D1 (płynie
prąd i1), a końcówka c ma wówczas potencjał ujemny względem punktu b i dioda
D2 nie przewodzi (Rys 3.). W drugiej połówce okresu biegunowość napięć na
końcówkach a i c względem b jest przeciwna i przewodzi dioda D2 (płynie prąd
i2), końcówka a ma wówczas potencjał ujemny względem punktu b i dioda D1 nie
przewodzi (Rys 4.) W obu półokresach prąd płynący przez obciążenie R0 ma ten
sam kierunek. Przy pominięciu spadku napięcia na diodach średnia wartość
napięcia na obciążeniu U0 jest dwukrotnie większa niż dla prostownika
jendopówkowego i wynosi:
T
0
0
1
2
2 2U 2U m
U 0 = u0 ( t ) dt
2U sin( t ) d t =
=
= 0 ,9U = 0 ,64U m
T
2

12. Slajd 12

Diody pracujące w prostowniku dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem
wtórnym powinny posiadać następujące parametry graniczne:
➢ dopuszczalny prąd anodowy Iamax
I a max
Um
2U
=
R0
R0
➢dopuszczalny średni prąd wyprostowany I0max
U 0 0 ,16U m 0 ,225U
I 0 max
=
=
2R0
R0
R0
➢dopuszczalne napięcie wsteczne –URmax.
− U R max 2U m = 2 2U

13. Slajd 13

1.3. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym
uab
t
T
T/2
~230V
i
R0
t
T/2
Rys. 5. Układ i przebiegi czasowe dla prostownika dwupołówkowego.
(napięcie wejściowe dodatnie)
T

14. Slajd 14

1.3. Prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym
uab
t
T
T/2
~230V
i
R0
t
T/2
Rys. 6. Układ i przebiegi czasowe dla prostownika dwupołówkowego.
(napięcie wejściowe ujemne)
T

15. Slajd 15

W prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym do transformatora
podłączony jest układ mostkowy, złożony z czterech diod D1, D2, D3, D4 a do
przekątnej mostka włączone jest obciążenie R0. Uzwojenie wtórne transformatora
dostarcza napięcia sinusoidalnie zmiennego. W półokresie napięcia uab, w którym
potencjał punktu a jest dodatni względem punktu b (Rys.5), diody D1 i D3
polaryzowane są w kierunku przewodzenia a diody D2 i D4 w kierunku
zaporowym. Płynie wówczas prąd i1 o kształcie połówki sinusoidy od punktu a
poprzez diodę D1, obciążenie R0, diodę D3 do punktu b. W drugim półokresie
napięcia uab, w którym potencjał punktu a jest ujemny względem punktu b
(Rys.6), diody D1 i D3 polaryzowane są w kierunku zaporowym a diody D2 i D4 w
kierunku przewodzenia. Płynie przy tym prąd i2 o kształcie połówki sinusoidy od
punktu b poprzez diodę D2, obciążenie R0, diodę D4 do punktu a. W obu
półokresach prąd płynący przez obciążenie R0 ma ten sam kierunek. Prąd
obciążenia i = i1 + i2 a napięcie na obciążeniu ma wartość u0= i R0. Przy
pominięciu spadku napięcia na diodach średnia wartość napięcia na obciążeniu U0
jest dwukrotnie większa niż dla prostownika jendopówkowego i wynosi:
T
0
0
1
2
2 2U 2U m
U 0 = u0 ( t ) dt
2
U
sin(
t
)
d
t
=
=
= 0 ,9U = 0 ,64U m
T
2

16. Slajd 16

Diody pracujące w prostowniku dwupołówkowym w układzie mostkowym
powinny posiadać następujące parametry graniczne:
➢ dopuszczalny prąd anodowy Iamax
I a max
Um
2U
=
R0
R0
➢dopuszczalny średni prąd wyprostowany I0max
U 0 0 ,32U m 0 ,45U
I 0 max
=
=
R0
R0
R0
➢dopuszczalne napięcie wsteczne –URmax.
− U R max U m = 2U

17. Slajd 17

1.4. Zasilacze niestabilizowane i stabilizowane
Zasilacz napięcia stałego można określić jako urządzenie, przetwarzające energię
sieci prądu zmiennego (przeważnie o wartości skutecznej napięcia 230 V) na
napięcie stałe. Jeżeli napięcie to ma służyć zasilaniu układów tranzystorowych, jego
wartość zawiera się przeciętnie w granicach od kilku do kilkunastu woltów. Zasilacz
napięcia stałego składa się z transformatora obniżającego napięcie, prostownika,
układu elektronicznego (decydującego o właściwościach danego zasilacza) oraz
obciążenia R0. Schemat blokowy takiego zasilacza przedstawia rys. 7.
~230V
PROSTOWNIK
Uwe
UKŁAD
ELEKTRONICZNY
Rys. 7. Schemat blokowy zasilacza napięcia stałego
Uwy
R0

18. Slajd 18

W zależności od tego, w jaki sposób zbudowany jest układ elektroniczny
zasilacze można podzielić na następujące grupy :
a) niestabilizowane:
➢ układ elektroniczny z kondensatorem o dużej pojemności (rys. 8a)
➢ układ elektroniczny z filtrem dolnoprzepustowym LC (rys. 8b)
➢ układ elektroniczny z filtrem dolnoprzepustowym RC (rys. 8c)
b) stabilizowane:
➢ układ elektroniczny z diodą Zenera (rys 9a)
➢ układ elektroniczny z tranzystorem szeregowym (rys. 9b)
➢ układ elektroniczny z tranzystorem równoległym (rys. 9c)

19. Slajd 19

a)
b)
Uwe
C1
Uwy
R
Uwe
C1
C2
Uwy
c)
L
Uwe
C1
C2
Uwy
Rys. 8. Układy elektroniczne zasilaczy niestabilizowanych a) z kondensatorem;
b) z filtrem dolnoprzepustowym RC; c) z filtrem dolnoprzepustowym LC.

20. Slajd 20

a)
b)
R
T
R
Uwe
C
Dz
Uwy
Uwe
C
Uwy
Dz
c)
R
Dz
Uwe
C1
T
Uwy
Rys. 9. Układy elektroniczne zasilaczy stabilizowanych a) z diodą Zenera;
b) z tranzystorem szeregowym; c) z tranzystorem równoległym.

21. Slajd 21

Zasilacz niestabilizowany z prostownikiem jednopołówkowym i z filtrem
pojemnościowym
D
a
~230V
uab
id
iwy
uwe
C
uwy
R0
b
Rys. 10. Układ zasilacza napięcia stałego niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym i filtrem pojemnościowym

22. Slajd 22

uwy
U0max
t
u
id
Iamax
t
t1
t2
Rys. 11. Przebiegi czasowe zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym i filtrem pojemnościowym

23. Slajd 23

W prostowniku jednopołówkowym z filtrem pojemnościowym w chwili t1
napięcie uab doprowadzone do anody diody staje się większe od napięcia uwe
występującego na katodzie diody. Wówczas dioda zaczyna przewodzić prąd
płynący przez obciążenie Ro a kondensator C jest ładowany do napięcia uab z małą
stałą czasową. W chwili t2 dioda zaczyna być polaryzowana w kierunku
zaporowym a kondensator rozładowuje się przez obciążenie Ro ze stosunkowo
dużą stałą czasową. Napięcie uwy na obciążeniu wykazuje niewielkie wahania,
znacznie mniejsze niż w układzie prostowniczym bez kondensatora C. Wartość
średnia napięcia Uwy jest zbliżona do Um. Prąd diody płynący w części okresu (od
t1 do t2) musi dostarczyć do kondensatora ładunek, wystarczający na pokrycie
ciągłego przepływu przez obciążenie prądu iwy o wartości uwy/R0. Ponieważ średnia
wartość prądu diody Id jest równa średniej wartości prądu obciążenia Uwy/Ro.
impulsy prądu diody mają w związku z tym dużą amplitudę, znacznie większą od
Um/Ro. Impuls prądu o szczególnie dużej amplitudzie płynie przez diodę w
pierwszym dodatnim półokresie napięcia zmiennego uab bezpośrednio po
włączeniu tego napięcia, gdy kondensator C nie jest jeszcze naładowany.
Gdy na anodzie diody występuje minimalne napięcie -Um, na katodzie diody
kondensator utrzymuje napięcie +Um, tak więc maksymalna wartość napięcia
wstecznego jest bliska 2Um.

24. Slajd 24

Dioda pracująca w prostowniku jednopołówkowym z filtrem pojemnościowym
powinna posiadać następujące parametry graniczne:
➢ dopuszczalny prąd anodowy Iamax
U
I a max m
R0
➢dopuszczalny średni prąd wyprostowany I0max
U0 Um
I 0 max
=
R0 R0
➢dopuszczalne napięcie wsteczne –URmax.
− U R max 2U m

25. Slajd 25

a)
Uwy
b)
Uwy
U0 max
U0 max
C=0
R0=1kΩ
C=25μF
R0=560kΩ
t
t
c)
Uwy
d)
Uwy
U0 max
U0 max
T/2
C=25μF
R0=1kΩ
t
T/2
C=25μF
R0=100Ω
t
Rys. 12. Przebiegi czasowe napięcia na wyjściu zasilacza niestabilizowanego
z prostownikiem jednopołówkowym

26. Slajd 26

Przy braku kondensatora C przez obciążenie płynie prąd o kształcie sinusoidalnym
przez czas T/2 (T = 1/f jest okresem napięcia zmiennego dołączonego do
prostownika), napięcie wyjściowe zasilacza ma więc taki sam kształt, co
przedstawiono na rys. 12a. Dołączenie kondensatora powoduje zmianę napięcia
wyjściowego, a jego przebieg czasowy dla warunków ustalonych przedstawia rys.
12c.
Jeżeli zasilacz jest słabo obciążony (duże R0) napięcie na wyjściu niewiele
odbiega od przebiegu stałego (rys. 12b.). Silne obciążenie zasilacza powoduje
wyraźny wzrost amplitudy tętnień napięcia wyjściowego i tym samym obniżenie
wartości średniej tego napięcia (rys. 12d).

27. Slajd 27

Zasilacz niestabilizowany z prostownikiem dwupołówkowym z
symetrycznym uzwojeniem wtórnym i z filtrem pojemnościowym
a
~230V
D1
iwy
id1
b
uwe
D2
C
uwy
R0
id2
c
Rys. 13. Układ zasilacza napięcia stałego niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym z uzwojeniem wtórnym symetrycznym

28. Slajd 28

Uwy
U0max
t
id
u2
u1
id1
id2
Iamax
id1
id2
id1
id2
Rys. 14. Układ zasilacza napięcia stałego niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym
t

29. Slajd 29

Jeszcze lepszą stałość napięcia u0 (i w rezultacie mniejsze tętnienia) uzyskuje się
w prostowniku dwupołówkowym z filtrem pojemnościowym (rys.13.).
Kondensator jest ładowany dwa razy częściej, w każdej połówce okresu (rys.14.),
dzięki czemu w przerwach między ładowaniem spadek napięcia na kondensatorze
jest mniejszy. Prąd diody ma mniejszą wartość maksymalną Iamax niż w
prostowniku jednopołówkowym, gdyż ładunek, wymagany do przepływu przez
obciążenie określonej średniej wartości prądu I0 = Id dostarczany jest przez dwa
impulsy prądu dwóch diod. Prostowniki z filtrem pojemnościowym umożliwiają
uzyskanie prawie stałego napięcia u0, o małych tętnieniach, przy odpowiednio
dużej stałej czasowej RoC. Z tego względu prostowniki takie są powszechnie
stosowane do zasilania urządzeń o niezbyt małych wartościach Ro, a zatem
urządzeń o małym poborze prądu i mocy.
W prostowniku dwupołówkowym zarówno z symetrycznym uzwojeniem wtórnym
jak i w układzie mostkowym wymagane parametry diody są następujące:
2
1
U wy
U m d t = U m
2
0
I a max
Um
2 R0
I 0 max
U0 Um
=
2 R0 2 R0
− U R max 2U m

30. Slajd 30

Diody pracujące w prostowniku dwupołówkowym z filtrem pojemnościowym
powinna posiadać następujące parametry graniczne:
➢ dopuszczalny prąd anodowy Iamax
I a max
Um
2R0
➢dopuszczalny średni prąd wyprostowany I0max
U0 Um
I 0 max
=
2 R0 2 R0
➢dopuszczalne napięcie wsteczne –URmax.
− U R max 2U m

31. Slajd 31

a)
b)
Uwy
U0max
Uwy
U0max
C=0
R0=1kΩ
C=25μF
R0=560kΩ
t
t
c)
Uwy
d)
Uwy
U0max
U0max
T/2
C=25μF
R0=1kΩ
t
T/2
C=25μF
R0=100Ω
t
Rys. 15. Przebiegi napięcia na wyjściu zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym

32. Slajd 32

Zasilacz stabilizowany z diodą Zenera i z prostownikiem
dwupołówkowym
R
D1
IR
Iwy
IZ
Uwe
~230V
C1
DZ
C2
Uwy
D2
Rys. 16. Układ zasilacza stabilizowanego z diodą Zenera i z prostownikiem
dwupołówkowym
R0

33. Slajd 33

Przystępując do opisu działania omawianego zasilacza, wygodniej będzie na
początku pominąć zagadnienie tętnień napięcia Uwe, na kondensatorze C1.
Zakładając zatem, że napięcie to ma wartość stałą, łatwo stwierdzić, że bez
obciążenia cały prąd płynie przez diodę Zenera. Przyjmując, że jest to prąd
maksymalny IZmax. można napisać następujące równanie:
U we = I Z max R + U Z
gdzie UZ, jest napięciem na diodzie Zenera; (jednocześnie jest to napięcie
wyjściowe Uwy zasilacza). Zmniejszenie wartości rezystora R, przy danej wartości
Uwe, spowodowałoby przekroczenie maksymalnego prądu diody. Zatem,
minimalna wartość rezystora R określona jest zależnością:
Rmin =
U we − U Z
I Z max
Dołączenie obciążenia spowoduje przejęcie przez gałźć z R0 pewnej części prądu,
płynącego poprzednio (tj. bez obciążenia) przez diodę Zenera. Im wartość R0
będzie mniejsza, tym mniejszy będzie prąd diody.

34. Slajd 34

Nie powinien on zmniejszyć się poniżej wartości IZmin, określonej przez zagięcie
charakterystyki diody, gdyż groziłoby to wyprowadzeniem diody z zakresu
stabilizacji napięcia i tym samym - niedopuszczalnie dużą zmianą napięcia
wyjściowego zasilacza. Przyjmując zatem, ze maksymalna wartość prądu
obciążenia Iwy max jest dana wzorem:
I wy max =
U wy
R0 min
=
UZ
R0 min
można określić
Rmax =
U we − U Z
U −UZ
we
I wy max + I Z min
I wy max

35. Slajd 35

W celu poprawnego zaprojektowania układu zasilacza należy zatem znać wartość
napięcia wyjściowego, maksymalnego prądu wyjściowego oraz charakterystykę
diody Zenera. Występujące również we wzorach napięcie Uwe w rzeczywistości
nie ma, jak to powyżej założono, wartości stałej. Chociaż w gruncie rzeczy prąd
płynący przez rezystor R w poprawnie zaprojektowanym zasilaczu prawie nie
zmienia się, mimo zmian obciążenia (dla R>R0min), to jednak na kondensatorze C1
można zaobserwować wyraźne tętnienia napięcia. W istocie jest to cecha
wszystkich zasilaczy, a jedyną metodą zmniejszenia tych tętnień (przy zadanym
prądzie pobieranym przez zasilacz) jest zwiększenie pojemności kondensatora C1.
Ponieważ, wskutek opisanego zjawiska, tętnienia mogą w pewnym stopniu
zmieniać wartość średnią napięcia Uwe i tym samym powodować błędy obliczenia
Rmin i Rmax, na podstawie podanych wyżej wzorów można sformułować
następujące zalecenie: nie należy wybierać R w pobliżu wyliczonych wartości
granicznych, najlepiej - na środku między nimi.
Drugie zalecenie, które można uzasadnić przy pomocy rozszerzonej analizy tego
typu układów brzmi następująco: maksymalny prąd obciążenia Iwy max powinien
stanowić 30 do 50% maksymalnego prądu diody Zenera IZmax.

36. Slajd 36

Zasilacz stabilizowany z tranzystorem szeregowym
i z prostownikiem dwupołówkowym
D1
R
~230V
Uwe
D2
Iwy
T
C1
IR
IB
C2
IZ
Dz
Rys. 17. Układ zasilacza stabilizowanego z tranzystorem szeregowym
i z prostownikiem dwupołówkowym
Uwy
R0

37. Slajd 37

W układzie zasilacza z tranzystorem szeregowym prąd bazy tranzystora
regulacyjnego jest określony zależnością Ib= Iwy/ß0 , (gdzie ß0 – wzmocnienie
prądowe tranzystora) a przez rezystor R płynie suma prądów bazy i diody Zenera:
IR = IZ + Ib Jeżeli prąd ten jest odpowiednio dobrany i utrzymuje diodę w zakresie
stabilizacji, napięcie na niej pozostaje prawie stałe i równe UZ. Napięcie
wyjściowe zasilacza jest określone zależnością: Uwy = UZ – UBE (gdzie: UBE jest
napięciem baza-emiter przewodzącego tranzystora regulacyjnego) i również ma
stałą wartość około 0,7V. Rezystancję R wyznacza się podobnie jak w przypadku
stabilizatora z diodą Zenera. Jeżeli Iwy=0 wówczas przez rezystor R płynie prąd
tylko diody Zenera, a więc w wariancie najbardziej niekorzystnym
Rmin =
U we − U Z
I Z max

38. Slajd 38

Zwiększenie prądu obciążenia Iwy zmniejsza prąd płynący przez diodę IZ. Wartość
tego prądu nie powinna być niższa niż IZmin, ponieważ UZ uległoby gwałtownej
zmianie a zatem:
Rmax =
U we − U Z
I wy max
I Z min +
0
Ze względów praktycznych rezystancja R powinna mieć wartość średnią z Rmax
i Rmin Również i tu obowiązuje konieczność przestrzegania relacji między
maksymalnym prądem obciążenia Iwy max i maksymalnym prądem diody Zenera
IZ max :
1
I wy max = (30% 50%) I Z max
0

39. Slajd 39

Pomiary parametrów zasilaczy
Uwy
Uwe=constans
Uwy max
Uwy1
Uwy0
Uwy2
P(Iwy0,Uwy0)
Iwy1
Iwy0
Rys. 18. Zależność Uwy= f(Iwy) zasilacza napięcia stałego
Iwy2
Iwy

40. Slajd 40

W każdym z opisanych zasilaczy napięcie wyjściowe maleje ze wzrostem prądu
obciążenia. Spadek napięcia jest wyraźny w zasilaczu niestabilizowanym i dużo
mniejszy w stabilizowanym (rys. 18). Dokonując stałoprądowego pomiaru
Uwy = f(Iwy) otrzymuje się krzywą przedstawianą na rysunku linią ciągłą
(mierniki pokazują średnią wartość napięcia i prądu). W istocie jednak na
wartość średnią napięcia wyjściowego nakładają się tętnienia, których amplituda
wzrasta w miarę zwiększania się prądu wyjściowego. Obwiednia napięcia
tętnień pokazana została na rysunku linią przerywaną. Na podstawie krzywej
ciągłej z rys. 18. można obliczyć podstawowy parametr, obrazujący jakość
zasilacza napięcia stałego - rezystancję wyjściową w punkcie P(Iwy0,Uwy0).
Oznaczając ją przez r, można wprowadzić definicję:
r=
U wy 2 − U wy1
I wy 2 − I wy1
=
U wy
I wy
Rezystancja r zmienia się z prądem Iwy dość silnie dla małych wartości tego prądu,
dla większych wartości prądu osiąga wartość prawie stałą.

41. Slajd 41

Uwy
R0 = const.
Uwy2
Uwy0
Uwy1
P(Uwe0,Uwy0)
Uwe1
Uwe0
Uwe2
Rys. 19. Zależność Uwy= f(Uwe) zasilacza napięcia stałego
Uwe

42. Slajd 42

Drugim ważnym parametrem, charakteryzującym jakość zasilacza napięcia
stałego, jest współczynnik stabilizacji napięcia w punkcie P(Uwe0, Uwy0) określany
wzorem:
U wy 2 − U wy1
S=
U wy 0
U we2 − U we1
U we0
U wy
=
U wy 0
U we
U we0
R0 = const .
gdzie: przez Uwe należy rozumieć napięcie na kondensatorze C1 w układach z rys.
16. i rys. 17., natomiast Uwy i Uwe oznaczają przyrosty odpowiednich napięć na
wyjściu i wejściu zasilacza. Przyglądając się definicji współczynnika stabilizacji
można powiedzieć, że jest on miarą „odporności” zasilacza na zmiany napięcia
wejściowego. Im wartość S jest mniejsza, tym lepszy jest zasilacz. Wartość S
wyznaczana jest metodą stałoprądową. Oczywiste jest, że przed dołączeniem
zasilacza wytwarzającego Uwe należy od badanego układu odłączyć prostownik.
Tętnienia na wejściu i wyjściu zasilacza można obserwować na oscyloskopie

43. 2. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego

2.1. Badanie zasilaczy niestabilizowanych
2.1.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania i własności zasilaczy
niestabilizowanych
poprzez
wyznaczenie
charakterystyk
napięcia
wyjściowego w funkcji prądu obciążenia, wyznaczenie parametrów zasilacza
oraz obserwację przebiegów napięciowych w poszczególnych punktach układu
dla różnych wartości rezystancji obciążenia i pojemności. W badanych
zasilaczach będą zastosowane prostowniki jednopołówkowe oraz
dwupołówkowe z symetrycznym uzwojeniem wtórnym i w układzie
mostkowym
2.1.2. Pomiar charakterystyk wyjściowych
Charakterystyki wyjściowe będą wyznaczane na podstawie pomiarów napięcia
wyjściowego stałego Uwy= (składowa stała) i napięcia wyjściowego zmiennego
Uwy~ (składowa zmienna) oraz prądu obciążenia Iwy= (składowa stała). Zmiana
prądu obciążenia dokonywana będzie przez zmianę rezystancji obciążenia.

44. Slajd 44

Schematy pomiarowe
a
D
Iwy=
mA
~230V
b
C
V
Uwy=
V
Uwy~
R0
c
Rys. 20. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem jednopołówkowym

45. Slajd 45

Rys. 21. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem jednopołówkowym. (połączenia na makiecie)

46. Slajd 46

D1
Iwy=
mA
C
~230V
V
Uwy=
V
Uwy~
R0
D2
Rys. 22. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem
wtórnym

47. Slajd 47

Rys. 23. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem
wtórnym. (połączenia na makiecie)

48. Slajd 48

Iwy=
mA
~230V
C
V
Uwy=
V
Uwy~
R0
Rys. 24. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym w układzie mostkowym

49. Slajd 49

Rys. 25. Układ do pomiaru charakterystyki wyjściowej zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym w układzie mostkowym.
(połączenia na makiecie)

50. Sposób przeprowadzenia pomiarów

➢ Połączyć układ pomiarowy przedstawiony na rys. 20.
(C=25 F, R0=560k )
➢ Wykonać pomiary charakterystyki wyjściowej zasilacza. Pomiar polega
na odczycie prądu wyjściowego Iwy= (miliamperomierz mA)
i napięć wyjściowych Uwy= (woltomierz V mierzący składową stałą
napięcia) oraz Uwy~ (woltomierz V mierzący składową zmienną
napięcia) przy ustawionej rezystancji obciążenia R0. Wyniki należy
zanotować w tabeli 1.
➢ Rezystancję obciążenia R0 należy zmieniać zgodnie z wartościami
zamieszczonymi w tabeli od 560k do 100 .
➢ Powtórzyć pomiary dla układu zasilacza niestabilizowanego
z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem
wtórnym (rys. 22.) oraz z prostownikiem w układzie mostkowym
(rys. 24.)

51. Slajd 51

Tabela 1. Pomiary charakterystyki wyjściowej Uwy = f(Iwy) zasilacza
z prostownikiem …………………………………………………………….
Lp
R0[
Iwy=
Uwy=
Uwy~
Uwy1= Uwy= - 0,5Uwy~
Uwy2= Uwy= + 0,5Uwy~
Ω
mA
V
V
V
V
1.
560k
2.
220k
3.
100k
4.
47k
5.
33k
6.
22k
7.
10k
8.
5,6
9.
4,7
10.
2,2
11.
1k
12.
470
13.
330
14.
220
15
100

52. Slajd 52

2.1.3. Obserwacja przebiegów czasowych zasilacza
Schematy pomiarowe
~230V
D
U1(t)
CH 1
Uwy(t)
C
R0
CH 2
OSCYLOSKOP
Rys. 26. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza niestabilizowanego z
prostownikiem jednopołówkowym

53. Slajd 53

Rys. 27. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza niestabilizowanego z
prostownikiem jednopołówkowym. (połączenia na makiecie)

54. Slajd 54

D1
U1(t)
Uwy(t)
~230V
C
R0
D2
CH 1
CH 2
OSCYLOSKOP
Rys. 28. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza niestabilizowanego
z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem
wtórnym

55. Slajd 55

Rys. 29. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza niestabilizowanego
z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem
wtórnym. (połączenia na makiecie)

56. Slajd 56

U1(t)
Uwy((t)
~230V
CH 1
C
R0
CH 2
OSCYLOSKOP
Rys. 30. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza niestabilizowanego
z prostownikiem dwupołówkowym w układzie mostkowym

57. Slajd 57

Rys. 31. Układ do pomiaru przebiegów czasowych zasilacza niestabilizowanego
z prostownikiem dwupołówkowym w układzie mostkowym. (połączenia
na makiecie)

58. Sposób przeprowadzenia pomiarów

➢ Połączyć układ pomiarowy przedstawiony na rys. 26.
(C=25 F, R0=1k )
➢ Kanał oscyloskopu CH 1 podłączony jest do pomiaru napięcia U1(t)
a kanał CH 2 napięcia Uwy(t).
➢ Zapisać na pendrajwie otrzymane na oscyloskopie przebiegi dla
różnych wartości obciążenia R0 i pojemności C podanych przez
prowadzącego zajęcia.
➢ Powtórzyć pomiary dla układu zasilacza niestabilizowanego
z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem
wtórnym (rys. 28.) oraz z prostownikiem w układzie mostkowym
(rys 30.)

59. 2.1.4 Opracowanie wyników pomiaru

W sprawozdaniu należy zamieścić:
➢
Schematy układów pomiarowych realizowanych na ćwiczeniu;
➢
Tabele pomiarowe z wynikami.
➢
Charakterystyki wyjściowe Uwy= = f(Iwy=) dla zasilacza
niestabilizowanego z prostownikiem jedno- i dwupołówkowym.
Zaznaczyć również charakterystykę wyjściową uwzględniającą
składową zmienną napięcia wyjściowego nałożoną na składową stałą
tego napięcia Uwy1= f(Iwy=), Uwy2= f(Iwy=)
➢
Wyznaczyć rezystancję wyjściową r dla zasilacza niestabilizowanego z
prostownikiem jedno- i dwupołówkowym w punkcie P podanym przez
prowadzącego zajęcia.
➢
Przebiegi czasowe napięcia wejściowego układu prostowniczego U1(t) i
napięcia wyjściowych zasilacza Uwy(t) dla badanych układów i różnych
wartości pojemności C oraz rezystancji obciążenia R0.
➢
Wnioski.

60. Symulacja układów zasilaczy niestabilizowanych

61. Slajd 61

Rys. 46. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=2,2µF R1=100Ω)

62. Slajd 62

Rys. 32. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=2,2µF R1=100Ω)

63. Slajd 63

Rys. 33. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=25µF R1=100Ω)

64. Slajd 64

Rys. 34. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=25µF R1=100Ω)

65. Slajd 65

Rys. 35. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=470µF R1=100Ω)

66. Slajd 66

Rys. 36. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=470µF R1=100Ω)

67. Slajd 67

Rys. 37. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=25µF R1=220Ω)

68. Slajd 68

Rys. 38. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=25µF R1=220Ω)

69. Slajd 69

Rys. 39. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=25µF R1=1kΩ)

70. Slajd 70

Rys. 40. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=25µF R1=1kΩ)

71. Slajd 71

Rys. 41. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=25µF R1=10kΩ)

72. Slajd 72

Rys. 42. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
jednopołówkowym (C1=25µF R1=10kΩ)

73. Slajd 73

Rys. 43. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=2,2µF R1=100Ω)

74. Slajd 74

Rys. 44. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=2,2µF R1=100Ω)

75. Slajd 75

Rys. 45. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=25µF R1=100Ω)

76. Slajd 76

Rys. 46. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=25µF R1=100Ω)

77. Slajd 77

Rys. 47. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=470µF R1=100Ω)

78. Slajd 78

Rys. 48. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=470µF R1=100Ω)

79. Slajd 79

Rys. 49. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=25µF R1=220Ω)

80. Slajd 80

Rys. 50. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=25µF R1=220Ω)

81. Slajd 81

Rys. 51. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=25µF R1=1kΩ)

82. Slajd 82

Rys. 52. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=25µF R1=1kΩ)

83. Slajd 83

Rys. 53. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=25µF R1=10kΩ)

84. Slajd 84

Rys. 54. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem dwupołówkowym z symetrycznym uzwojeniem wtórnym (C1=25µF R1=10kΩ)

85. Slajd 85

Rys. 55. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=2,2µF R1=100Ω)

86. Slajd 86

Rys. 56. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=2,2µF R1=100Ω)

87. Slajd 87

Rys. 57. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=25µF R1=100Ω )

88. Slajd 88

Rys. 58. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=25µF R1=100Ω )

89. Slajd 89

Rys. 59. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=470µF R1=100Ω)

90. Slajd 90

Rys. 60. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=470µF R1=100Ω)

91. Slajd 91

Rys. 61. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=25µF R1=220Ω)

92. Slajd 92

Rys. 62. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=25µF R1=220Ω)

93. Slajd 93

Rys. 63. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=25µF R1=1kΩ)

94. Slajd 94

Rys. 64. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=25µF R1=1kΩ)

95. Slajd 95

Rys. 65. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe napięć zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=25µF R1=10kΩ)

96. Slajd 96

Rys. 66. Układ symulacji (w programie CircuitMaker Student V6.2c) i przebiegi
czasowe prądów zasilacza niestabilizowanego z prostownikiem
dwupołówkowym w układzie mostkowym (C1=25µF R1=10kΩ)

97. Slajd 97

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu
Społecznego
Materiały dydaktyczne pomocnicze i informacyjne do przedmiotu
PODSTAWY ELEKTRONIKI
Część II: „Badania laboratoryjne elementów i układów elektronicznych”,
zrealizowana w ramach zadania nr 9 projektu:
„Program Rozwojowy Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: kształcenie na miarę sukcesu.”,
nr umowy: UDA-POKL 04.01.01. – 175/08-00.
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!
Następna prezentacja pt.:
Ćwiczenie 3:
Badanie zasilaczy stabilizowanych