1 Nyitrai Szlovák Mezőgazdasági Egyetem Műszaki Kar Villamosmérnöki Informatikai és Automatizálási Tanszék Hálózati tápegységek Feladat sz.

nyitrán

7 Tranzisztor stabilizátor A tranzisztor stabilizátorok a feszültség stabilizálására szolgálnak a terhelés által felvett nagyobb áramnál. Minden ilyen stabilizátornak tartalmaznia kell a túlterhelés elleni védelmet. A kimeneti feszültségre az alábbiak vonatkoznak: U 2 = UZ + U BE A tervezésnél figyelembe kell venni a tranzisztor határparamétereit - a kollektoráram maximális értéke I cmax I Bmax - az alapáram maximális értéke U CEmax - a kollektor maximális értéke feszültség - emitter P cmax - a kollektorveszteség maximális értéke TIZU i R i = R ZD UZU BE UZRZ ábra: Tranzisztor stabilizátor

8 1. kidolgozási feladat: Kapcsolási rajz ábra. 1. szám: Egyirányú egyenirányító Az 1. ábrán láthatjuk az áramkör feszültségének hullámalakját egyirányú egyenirányítóval. Az első menet a feszültség lefolyását mutatja a transzformátor szekunder tekercsén, amelynek amplitúdója megközelítőleg 15V. A második menet az egyenirányító dióda mögött mért feszültség folyamata. Mint látható, a dióda csak az AC feszültség pozitív félhullámát irányítja, amely az áramkörben való csatlakozásától függ. A feszültség amplitúdójának kis csökkenése, 0,785 V, szintén látható. Az amplitúdóesés nagysága a dióda belső ellenállásának nagyságától függ, amelynél feszültségesés következik be. A diódán átáramló áram megközelítőleg a volt-amper jellemzőinek 1/3-a.

9 A hídirányító bekötési rajza: 2. ábra: Kétirányú egyenirányító A 2. ábra az áramkör feszültséggörbéjét mutatja kétirányú egyenirányítóval. Az első görbe mutatja a váltakozó feszültség menetét a transzformátor szekunder tekercsén, körülbelül 15 V amplitúdóval. A második menet mutatja a kétirányú egyenirányító kimenetén mért feszültséget, és ugyanez a feszültség van a terhelési ellenállásnál is. Ennek a feszültségnek a nagysága 13,393 V. Megint az előző példához hasonlóan megfigyelhető feszültségesés van a diódákon, és ezáltal az amplitúdó-csökkenés 1,552 V, ami megközelítőleg kétszerese az egyirányú egyenirányítóénak. A kétirányú egyenirányítóval ellátott áramkör, az egyirányú egyenirányítóval ellentétben, egyenirányítja a váltakozó feszültség mindkét amplitúdóját. A diódákon átáramló áram kb. 1/3-a volt-amper jellemzőiknek.

10 3. ábra: A terhelési ellenállás hatása a kimeneti feszültségre A kimeneti feszültség nagysága főként az áramellátás keménységétől függ. A forrás kis belső ellenállása esetén a terhelési ellenállás nagysága szinte semmilyen hatást nem gyakorol a kimeneti feszültségre, csak az áram nagysága változik. Valójában nincs ideális tápegység, ezért minél kisebb a terhelési ellenállás, annál alacsonyabb a kimeneti feszültség és annál nagyobb az áramfelvétel, ami Ohm törvényéből adódik. Az R Z terhelési ellenállás méretének megváltoztatásakor egy reálisabb forrás kimeneti feszültségének változásai (a forrás belső ellenállása 250mΩ) így nézhet ki. 4. ábra: A terhelési ellenállás hatása egy reálisabb forrás kimeneti feszültségére

11 2. probléma: Kapcsolási rajz: Φ 1 arccos Φ + 1 C 1+ Φ 2πfR Z.ln 1 setting Beállítás után: 0,05 1 arccos 0, C = 859,234µF 1+ 0,05 2π ln 1 0,05 A következő nagyobb standard értéke a kondenzátor 1000μF. 5. ábra: A kimeneti feszültség és a szűrt feszültség menete Az ábrázolt grafikon alapján megkapjuk a feszültségértékeket: U max = 15,598V; U min = 14,385V, U AV = 14,9915V U 0,6065 Ezután a Φ = = = 0 összefüggés szerint, ahol U = Umax UAV = 15 598 14,9915 = 0, 6065V U AV 14,9915 a szűrési együttható Φ = 4%, amely megfelel az előírt értékeknek. Az 5. ábra a kimeneti feszültség durva görbéjét mutatja.

12 6. ábra: Kondenzátor töltőárama A 6. ábra a kondenzátor töltési görbéjét mutatja, amely megmutatja azokat a nagy töltési áramokat, amelyeket figyelembe kell venni a transzformátor és a teljes egyenirányító tervezésénél. A kapacitás növekedésével a töltőáramok is nőnek. 7. ábra: A terhelési ellenállás változásának hatása a kimeneti feszültség hullámosságára A 7. ábra a kimeneti feszültség hullámzását mutatja a terhelési ellenállás változása miatt. Minél kisebb a terhelési ellenállás, annál nagyobb a hullámzás. Ezt a jelenséget az okozza, hogy a pozitív és negatív félfeszültségű hullámok áthaladása között a terhelés által felvett összes energiát a szűrő kondenzátorából pumpálják. Ez azt jelenti, hogy a terhelés által felvett áram megváltoztatása megváltoztatja a kondenzátorból lehúzott energia mennyiségét is. Annak a ténynek köszönhetően, hogy a kondenzátor kapacitásától függően csak egy bizonyos mennyiségű töltést képes elnyelni, ezért kisütésének sebessége a terhelés által felvett áramtól függ, ezért a kimeneti feszültség hullámzása a Betöltés.

13 3. feladat: Kapcsolási rajz: Az összefüggés szerint a soros ellenállás értéke U CC U Z 15.605 7 R S = = = 160Ω. I 0,05 Z max 8. ábra: Túl nagy ellenállási érték R S A 8. ábra alsó részében a stabilizált kimeneti feszültség alakulása Zener diódával látható. Mérete azonban túl kicsi, azaz. kb. 6 V. Az RS dióda és az RZ terhelési ellenállás soros ellenállása együttesen egy rezisztív feszültségosztót képez, amely túlságosan csökkenti a feszültség értékét, ezért ki kell számolni a maximális RS-t, amely elég kicsi ahhoz, hogy a Zener dióda tegye a dolgát, hogy stabilizálja a feszültséget a szükséges max. 7 V határon, és ezzel egyidejűleg nem haladhatja meg a 0,05A diódahatáron keresztüli áramot. Feltételezzük, hogy a Zener diódának nagyobb feszültségre van szüksége, mint a Zener diódának, mert van egy bizonyos esés rajta. Ezért 8 V feszültséget választottam, amikor egy Zener diódát használtam, amelynek standard értéke 6,8 V. RZ U R Z = U CC RD + RZ A beállítás után megkapjuk: R S max (U CC RZ) (U R R) (15,) (8 100) Z Z = = = 87, 5Ω U 8 RZ

14 Feltételezzük, hogy az aktuális érték nem haladja meg a megadott értéket, azaz. 0,05A, ezért a legközelebbi kisebb, 82Ω ellenállás standard értéket választjuk. Módosított kapcsolási rajz: 9. ábra: Helyes ellenállási érték R S Ahogy az ábrán is látható, a stabilizált feszültség értéke a 6,8V határérték körül van, vagyis a megadott ellenállás értéke helyes. Az ellenállási érték helyességét a következő ábra is bizonyítja, amelynek görbéje az áram menetét mutatja a Zener diódán keresztül. Értéke körülbelül 0,039A.

15 10. ábra: A Zener-diódán áthaladó áram Prémium válasz: 11. ábra: A szűrési együttható hatása a forrásterhelés nagyságára Minél jobb a szűrt kimeneti feszültség, annál kisebb a hullámossága, de a felvett áram a forrásból növekszik, nem is beszélve a kondenzátor kezdeti feltöltése alatti áramlökésekről.

16 Következtetés A feladatból következik, hogy egy egyszerű, csak néhány komponenssel megvalósított stabilizált forrás megtervezésekor is számos szempontot figyelembe kell venni. Először is az egyenirányító diódákon bekövetkező veszteség, majd a szűrőkondenzátor helyes megválasztása, hogy ne terhelje túl a forrást, és ugyanakkor elég hatékony a feszültségnek a szükséges hullámzási tartományban történő szűrésére. Végül az áramkör megfelelő stabilizáló elemének megválasztása a terhelés által felvett áram vonatkozásában. Mindezt figyelembe kell venni egy transzformátor tervezésénél, amelynek a szűrőkondenzátor töltésekor is ellen kell állnia az áramfeszültségeknek, és ugyanakkor kellően nagy feszültséget kell biztosítania ahhoz, hogy az egyes feszültségek összege csökkenjen, a szükséges feszültség a a forrás.