DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL

Transkript

1 DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL škola Střední škola F. D. Roosevelta pro tělesně postižené, Brno, Křižíkova 11 číslo projektu číslo učebního materiálu předmět, tematický celek ročník CZ.1.07/1.5.00/ VY_32_INOVACE_ZIL_VEL_123_20 Základy elektrotechniky a elektroniky První, druhý, třetí datum vytvoření 2013 anotace metodická poznámka autor licence (není-li vyplněno, je materiál ze zdrojů autora) Materiál obsahuje řešené příklady na téma stabilizátor napětí. Určeno pro práci s dataprojektorem a bílou keramickou tabulí. Příklady lze řešit na tabuli, nebo je mohou žáci řešit samostatně a nakonec pro kontrolu výsledků odhalit správné řešení. Ing. Olga Žilková

2 Stabilizátor Stabilizátor napětí, proudu

3 Jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou

4 Stabilizační Zenerova dioda slouží k udržování konstantního napětí se využívá pouze v závěrném směru po překročení Zenerova napětí U Z (cca 3-50V) dojde k vratnému (nedestruktivnímu) průrazu přechodu PN a proud na diodě prudce poroste, při neměnném napětí průchodem proudu se dioda zahřívá nesmí dojít k překročení maximálního proudu I MAX, jinak by došlo k nenávratnému tepelnému poškození diody

5 Stabilizační Zenerova dioda Technické parametry v katalogu: Zenerovo napětí U ZN U ZN [V] maximální ztrátový výkon P max P max = U ZN. I Zmax [W] maximální proud I Zmax I Zmax [ma] typ pouzdra U ZN Pracovní oblast I I MIN I MAX U používá se v rozsahu proudů I MIN až I MAX

6 Zenerova dioda V katalogu vybíráme Zenerovy diody podle U Z a P Z Příklady Zenerových diod v pouzdře DO-201 1N5346B 9,1V/5W I Zmax = 549mA 1N5357B 20V/5W, I Zmax = 250mA 1N5374B 75V/5W, I Zmax = 67mA 1N5349B 12V/5W, I Zmax = 417mA

7 Jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou I 1 I 2 I U 1 U 2

8 Jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou I 1 I 2 I U 1 U2 R Z určuje polohu pracovního bodu P Pro správnou činnost stabilizátoru je nutné zajistit, aby měla zátěž R Z minimální vliv na velikost výstupního napětí U 2. Toho se docílí tím, že se nastaví hodnota zatěžovacího proudu I 2 do zátěže R Z na hodnotu několikrát menší než je proud I Zenerovou diodou. Při změně vstupního napětí U 1 dojde i k posunu pracovního bodu P, ale změna výstupního napětí U 2 bude vzhledem k nastavení malá.

9 Jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou Příklad

10 PŘÍKLAD Jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou Navrhněte jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou se vstupním napětím U 1 = 50V, výstupním napětím U 2 = 20V a proudem I 2 = 150mA I 1 I 2 U 1 I U2

11 Jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou Zvolíme si s napětím U ZN 20V například: 1N5357B 20V/5W, I Zmax = 250mA Vypočítáme napětí na (KZ) U 1 = U R1 + U I 1 I 2 U R1 = U 1 U U R1 = 50V 20V U R1 = 30V U 1 U R1 I U2

12 Jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou Vypočítáme velikost rezistoru z Ohmova zákona, tzn. musíme zjistit velikost proudu I 1 I Zmax = 250 ma I 2 = 150 ma Vypočítáme proud odporem KZ pro uzel X I 1 = I 2 + I Z I 1 = ( )mA I 1 = 400 ma U 1 I 1 I I 2 X U2

13 Jednoduchý stabilizátor se Zenerovou diodou Vypočítáme velikost rezistoru z Ohmova zákona U R1 = 30 V I 1 = 400 ma = U R1 /I 1 = 30V/ A = 75W Vybereme například rezistor MRR 75R metalizovaný, pouzdro 0204, P Z = 0,4 W, U 1 Tol. = 1 % TK = 50 ppm/k I 1 U R1 I I 2 U2

14 Zdokonalený stabilizátor se Zenerovou diodou a tranzistory

15 Stabilizátor s tranzistory T 2 T 1 R 2 R 3 T 1 - výkonový regulační tranzistor - emitorový sledovač - budící odpor báze T 1 - Zenerova dioda - referenční napětí R 2, R 3 - odporový dělič stabilizovaného napětí T 2 - zesilovač odchylky R Z - zátěž stabilizátoru

16 U CE1 T 1 R 2 U R1 UCB1 U BE1 U R2 U CB2 U 1 U 2 T 2 U CE2 U U BE2 R 3 U R3 Napětí na stabilizátoru

17 I 1 I C1 I E1 I 2 T 1 R 2 I R1 I B1 I R2 U T I 2 1 C2 I B2 U 2 R 3 I E2 =I I R3 Proudy na stabilizátoru

18 PŘÍKLAD Stabilizátor napětí Použité součástky a jejich parametry Tranzistor T 2 BC I B2 = 2 ma, U BE2 = 1,2 V Tranzistor T 1 BC639 I B1 = 25 ma, U BE2 = 1,0 V Zenerová dioda 1N5346B 9,1V/5W I Zmax = 549mA Navrhněte velikosti rezistorů, R 2 a R 3 stabilizátoru napětí pro vstupní napětí U 1 = 50V, s výstupním napětím U 2 = 20V a maximálním proudem zátěže I RZ = 150mA Proud rezistorem má být 10x větší než proud bází T 1 Proud nezatíženým děličem R 2 a R 3 má být 10x větší než proud bází T 2 Nezatížený dělič znamená, že počítáme s tím, že do báze T 2 neteče žádný proud

19 Řešení příkladu se stabilizátorem Jednodušší řešení Kirchhoffovy zákony

20 Napětí na stabilizátoru mezi body A a B PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U R3 C D 30V U 2 U 1 = U CE1 + U 2 50 = U CE U CE1 = 20 V

21 Napětí na tranzistoru T 1 a rezistoru PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U R3 C D 30V U 2 U R1 = U CB1 U CE1 = U CB1 + U BE1 20 V = U CB1 + 1 V 19 V = U CB1 = U R1

22 Napětí na rezistoru R 2 PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 9,1V U U CB1 U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U R3 C D 30V U 2 U 2 = U R2 + U BE2 + U 30 = U R2 + 1,2 + 9,1 19,7 V = U R2

23 Napětí na rezistoru R 3 PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U R3 C D 30V U 2 U R3 = U BE2 + U U R3 = 1,2 + 9,1 10,3 V = U R3

24 I R1 250 ma I 1 I C1 I E1 I 2 T 1 R 2 I R1 = 10xI B1 I R1 = 10x25 ma I R1 = 250 ma I B1 25 ma I R2 R 2 je do série s R 3 tzn. I R2 = I R3 U I 1 B2 I C2 0 ma U 2 T 2 R 3 I R2 = 10 x I B2 I R2 = 10 x 2 ma I R2 = 20 ma I E2 =I I R3 I R3 = 10 x I B2 I R3 = 10 x 2 ma I R3 = 20 ma Proudy na rezistorech

25 Známé hodnoty veličin na jednotlivých rezistorech Rezistor I R1 = 250 ma, U R1 = 19 V = U R1 /I R1 = 19V / A = 76W Rezistor R 2 I R2 = 20 ma, U R2 = 19,7 V R 2 = U R2 /I R2 R 2 = 19,7V / A R 2 = 985W

26 Známé hodnoty veličin na jednotlivých rezistorech Rezistor R 3 I R3 = 20 ma, U R3 = 10,3 V R 3 = U R3 /I R3 R 3 = 10,3V / A R 3 = 515W Minimální hodnota rezistoru R Z I RZ = 150 ma, U RZ = U 2 = 30 V R Zmin = U 2 /I RZ R Zmin = 30V / A R Zmin = 200W

27 PŘÍKLAD Stabilizátor napětí Použité součástky a jejich parametry Tranzistor T 2 BC I B2 = 2 ma, U BE2 = 1,2 V Tranzistor T 1 BC639 I B1 = 25 ma, U BE2 = 1,0 V Zenerová dioda 1N5346B 9,1V/5W I Zmax = 549mA Navrhněte velikosti rezistorů, R 2 a R 3 stabilizátoru napětí pro vstupní napětí U 1 = 50V, s výstupním napětím U 2 = 20V a maximálním proudem zátěže I RZ = 150mA Proud rezistorem má být 10x větší než proud bází T 1 Proud nezatíženým děličem R 2 a R 3 má být 10x větší než proud bází T 2 Nezatížený dělič znamená, že počítáme s tím, že do báze T 2 neteče žádný proud

28 Řešení příkladu se stabilizátorem Systematické řešení Kirchhoffovy zákony

29 PŘÍKLAD U CE1 A U R1 U CB1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 R 2 U R2 C 50V U 1 B U CE2 9,1V U T 2 1,2V U BE2 R 3 U R3 D 30V U 2 Napětí na stabilizátoru

30 Kirchhoffovy zákony První Kirchhoffův zákon - o proudech a uzlech Součet proudů vstupujících do uzlu se rovná součtu proudů z uzlu vystupujících. Druhý Kirchhoffův zákon - o napětích a uzavřených smyčkách Součet úbytků napětí na spotřebičích se v uzavřené smyčce rovná součtu napětí dodaných zdroji v této části elektrického obvodu - smyčce.

31 2. Kirchhoffův zákon v tomto zapojení

32 Napětí na stabilizátoru mezi body A a B PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U R3 C D 30V U 2 U 1 = U CE1 + U 2 50 = U CE U CE1 = 20 V

33 Napětí na stabilizátoru mezi body A a B PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 U 1 = U R1 + U CE2 + U 50 = U R1 + U CE2 + 9,1 R 2 U R2 R 3 U R3 C 40,9 V = U R1 + U CE2 D 30V U 2

34 Napětí na stabilizátoru mezi body A a B PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U 1 = U CB1 + U CE2 + U 50 = U CB1 + U CE2 + 9,1 U R3 C 40,9 V = U CB1 + U CE2 D 30V U 2

35 Napětí na stabilizátoru mezi body A a B PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U 1 CE1 = U R1 + U CB2 + U BE2 + U T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U R3 C 50 = U R1 + U CB2 + 1,2 + 9,1 39,7 V = U R1 + U CB2 D 30V U 2

36 Napětí na stabilizátoru mezi body A a B PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U 1 U CE1 = U CB1 + U C CB2 + U BE2 + U 50 = U CB1 + U CB2 + 1,2 + 9,1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 39,7 V = U CB1 + U CB2 R 3 U R3 D 30V U 2

37 Napětí na stabilizátoru mezi body C a D PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U R3 C D 30V U 2 U 2 = U R2 + U R3 30 V = U R2 + U R3

38 Napětí na stabilizátoru mezi body C a D PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 9,1V U U CB1 U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 U R2 R 3 U R3 C D 30V U 2 U 2 = U R2 + U BE2 + U 30 = U R2 + 1,2 + 9,1 19,7 V = U R2

39 Napětí na stabilizátoru mezi body C a D PŘÍKLAD A U R1 U CE1 T 1 1,0V U 2 = - U BE1 + U CB2 + U BE2 + U 30 = U CB2 + 1,2 + 9,1 R 2 U R2 C 20,7 V = U CB2 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 3 U R3 D 30V U 2

40 Napětí na stabilizátoru mezi body C a D PŘÍKLAD A U R1 50V U 1 B U CE2 U CB1 9,1V U U CE1 T 1 1,0V U BE1 U CB2 T 2 1,2V U BE2 U 2 = - U BE1 + U CE2 + U 30 = U CE2 + 9,1 R 2 U R2 R 3 U R3 C D 30V U 2 21,9 V = U CE2

41 Napětí která už známe PŘÍKLAD 20V = U CE1 A U R1 U CB1 T 1 1,0V U BE1 20,7V U CB2 50V = U 1 30V = U 2 R 2 19,7V U R2 C 21,9V T 2 B U CE2 9,1V U 1,2V U BE2 R 3 U R3 D

42 Rovnice, které jsme si zapsali a zatím ještě nejsou dořešené 1. U 1 = U R1 + U CE2 + U 40,9 V = U R1 + U CE2 2. U 2 = U R2 + U R3 30 V = U R2 + U R3 3. U 1 = U R1 + U CB2 + U BE2 + U 39,7 V = U R1 + U CB2 4. U 1 = U CB1 + U CB2 + U BE2 + U 39,7 V = U CB1 + U CB2

43 Dosadíme již známé hodnoty veličin do rovnic, ve kterých máme napětí na 20V = U rezistorech a R CE U 1 = U R1 + U CE2 + U 40,9 = U R1 + U CE2 40,9 = U R1 + 21,9 19 V = U R1 2. U 2 = U R2 + U R3 30 = 19,7 + U R3 10,3 V = U R3 U R1 21,9V U CE2 9,1V U U CB1 T 1 1,0V U BE1 20,7V U CB2 T 2 1,2V U BE2 R 2 R 3 19,7V U R2 U R3

44 1. Kirchhoffův zákon v tomto zapojení

45 I 1 I C1 I E1 Uzel I 2 X: R I R1 = 10xI B1 1 I R1 = 10x25 ma I R1 = 250 ma X T 1 I R1 = I R B1 + I C2 250 ma 2 = 25 ma + I C2 I 225 ma R2 = I C2 I B1 25 ma U I I R1 C2 I B2 1 2 ma U ma T 2 R 3 I E2 =I I R3 Proudy na stabilizátoru

46 I 1 I C1 I E1 I Uzel 2 tranzistor T 2 : I R1 250 ma T 1 I E2 = I R B2 + I C2 2 I E2 = 2 ma ma I B1 25 ma I R2 I E2 = 227 ma U 1 I C2 I B2 225 ma 2 ma U 2 T 2 R 3 I E2 =I I R3 Proudy na stabilizátoru

47 I R1 250 ma I 1 I C1 I E1 I 2 I B1 25 ma T 1 R 2 I R2 U I 1 B2 I C2 0 ma U 2 R 2 je do série s R 3 tzn. I R2 = I R3 I R2 = 10 x I B2 I R2 = 10 x 2 ma I R2 = 20 ma T 2 I E2 =I R 3 I R3 I R3 = 10 x I B2 I R3 = 10 x 2 ma I R3 = 20 ma Proud nezatíženým děličem tzn. I B2 =0mA

48 Řešení příkladu se stabilizátorem Ohmův zákon

49 Známé hodnoty veličin na jednotlivých rezistorech Rezistor I R1 = 250 ma, U R1 = 19 V = U R1 /I R1 = 19V / A = 76W Rezistor R 2 I R2 = 20 ma, U R2 = 19,7 V R 2 = U R2 /I R2 R 2 = 19,7V / A R 2 = 985W

50 Známé hodnoty veličin na jednotlivých rezistorech Rezistor R 3 I R3 = 20 ma, U R3 = 10,3 V R 3 = U R3 /I R3 R 3 = 10,3V / A R 3 = 515W Minimální hodnota rezistoru R Z I RZ = 150 ma, U RZ = U 2 = 30 V R Zmin = U 2 /I RZ R Zmin = 30V / A R Zmin = 200W