Pierwsze ćwiczenie dotyczyć będzie diody Zenera, która jest najprostszym elementem stabilizującym. Pokrótce omówię jej zastosowanie, choć nie mamy jej w swoim zestawie dla początkujących i przedstawionego układu nie będziemy budować. Zdobyta wiedza przyda nam się później do (roz)budowy robota.

Podstawowe informacje o diodzie Zenera standardowo znajdziecie w krótkim wstępie teoretycznym dostępnym tutaj.

Zasadę działania diody Zenera omówię na przykładzie diody, której napięcie Zenera U_Z=4,7V, a dopuszczalna moc to P=1,3W

Ze wzoru łatwo wyliczymy dopuszczalny prąd jaki może przez nią popłynąć:

I_MAX = P / U

I_MAX = 1,3W / 4,7V

I_MAX = 276mA

Prześledzimy teraz jak zachowa się nasza dioda w takim oto układzie:

Początkowo źródłem zasilania w układzie standardowo będzie koszyk baterii dający łączne napięcie ok. 6V. Jak zwykle zaczniemy od obliczenia rezystancji rezystora R₁:

R1 = U_B1 / I_MAX

R1 = 6V / 276mA

R1 = 21,7Ω

Rezystor R1 będzie zabezpieczał maksymalny prąd jaki może płynąć w obwodzie i trafić do diody Zenera, co uchroni ją przed zniszczeniem.

Obliczenia rezystora uwzględniające: moc diody, napięcie zasilania i prąd jaki chcemy aby płynął w obwodzie.

Założenie prąd płynący w obwodzie przyjmujemy mniejszy od maksymalnego np: I=30mA czyli I=0,03A, napięcie diody zenera Uz= 4,7V, zasilanie U_B1 = 6V.

R1= U_B1 – U_z/ I

R1= (6V – 4,7V)/0,03A = 43,3Ω

Kontynuując dalej poprzednią myśl…

Prześledźmy jak zmieni się napięcie w obwodzie, gdy będziemy stopniowo zmniejszać napięcie zasilania U_B1.

1.  U_B1 > U_Z

Napięcie zasilania U_B1 ma wartość 6V i jest większe od napięcia znamionowego diody Zenera, której tzw. napięcie Zenera wynosi 4,7V. Mimo to na woltomierzu otrzymamy napięcie zbliżone do napięcia Zenera diody, tj. 4,7V. Dzieje się tak dlatego, że spadek napięcia na diodzie może maksymalne wynosić tyle, ile wynosi jej napięcie Zenera, czyli w tym przypadku 4,7V. Zauważmy, że dioda na schemacie podłączona jest niejako odwrotnie, czyli w kierunku zaporowym. Jak wiemy z postu o diodach, nie przewodzą one prądu jeśli podłączy się je w ten sposób, ale… dioda Zenera jest wyjątkiem i ma to do siebie, że jeśli dostarczane do niej napięcie jest wyższe od napięcia Zenera U_B1 > U_Z wówczas przez diodę płynie prąd!

2. U_B1 = U_Z

Napięcie zasilania U_B1 jest równe napięciu znamionowemu diody Zenera, której napięcie Zenera wynosi 4,7V. Spadek napięcia na diodzie jest równy napięciu zasilania U_B1 = U_Z = 4,7V.  Dioda Zenera zachowuje się jak każda inna dioda i nie przewodzi prądu (a raczej przewodzi minimalny prąd). Na woltomierzu otrzymamy napięcie zbliżone do napięcia zasilania U_B1 = 4,7V.

3. U_B1 < U_Z

Napięcie zasilania U_B1 = 3V i jest niższe od napięcia znamionowego diody Zenera, której napięcie Zenera wynosi 4,7V. Spadek napięcia na diodzie jest równy napięciu zasilania U_B1 = U_Z = 3V.  Dioda Zenera zachowuje się jak każda inna dioda i nie przewodzi prądu ponieważ napięcie wejściowej jest znacznie niższe od stabilizowanego. Na woltomierzu otrzymamy napięcie zbliżone do napięcia zasilania U_B1 = 3V.

Zbierzmy te informacje w tabeli:

 

 

Teraz przejdziemy do zasadniczego tematu tej lekcji, czyli do stabilizatora napięcia. W naszym zestawie mamy stabilizator 7805. Dwie pierwsze cyfry mówią nam o tym, że jest to stabilizator na napięcia dodatnie, a dwie kolejne określają napięcie jakie otrzymamy na wyjściu. Nasz stabilizator wygląda tak:

To co widać na powyższym zdjęciu to  stabilizator napięcia  w obudowie  TO-220.

Na poniższym schemacie  przedstawiono wnętrze stabilizatora,  z  karty katalogowej:

Schemat wygląda dość skomplikowanie. Stabilizator 7805 to nie jeden element elektroniczny (jak tranzystor czy kondensator) ale cały układ zbudowany z rezystorów, tranzystorów, diod, kondensatorów. Na szczęście nie trzeba wnikać w jego budowę, dla nas ważniejsze jest to jak on działa i na tym się skupimy.

Stabilizator 7805 w obudowie TO-220 ma 3 nóżki:

• INPUT – wejście, które podłączamy do plusa zasilania
• GND – masę, którą łączy się z minusem zasilania
• OUTPUT – wyjście, także łączone z plusem zasilania

O tym która nóżka jest która powie nam schematyczny rysunek z noty:

Z krótkiego wstępu teoretycznego wiemy, że w zbudowanym przez nas układzie, np. robocie, mogą wystąpić  wahania napięcia, spowodowane chociażby włączaniem i wyłączaniem silników.

Stabilizator ma za zadanie niwelować te spadki, tak aby do podzespołów umieszczonych za nim docierało napięcie bez zmian.

Musicie wiedzieć, że stabilizator ma swoje ograniczenia. Aby zaczął działać potrzebny jest minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem (napięciem na nóżce OUTPUT) a wejściem (napięciem przyłożonym do nóżki INPUT). Ten parametr (po ang. dropout voltage) oznaczany jest najczęściej symbolem U_DO i możemy go sprawdzić w nocie katalogowej.

Z tabeli możemy odczytać, że przy pozycji dropout voltage (oznaczonej tu jako V_D) wymagane są 2V różnicy pomiędzy wyjściem a wejściem stabilizatora.

Innymi ważnym parametrem stabilizatora jest maksymalne napięcie wejściowe.

Maksymalne napięcie jakie możemy doprowadzić do stabilizatora 7805 to V_IN = 35V, a najmniejsze to 7V, co wynika z parametru dropout voltage czyli wymaganej różnicy 2V pomiędzy napięciem dostarczanym do wejścia stabilizatora a otrzymywanym na jego wyjściu.

Teraz zajmiemy się tym, jak podłączyć stabilizator do jakiegoś układu. Otóż, musimy umieścić go w otoczeniu kondensatorów:

Na powyższym schemacie do źródła zasilania B1 podłączono stabilizator 7805 oraz 4 kondensatory: dwa z nich (C1 i C4) to kondensatory ceramiczne o pojemności 100nF, dwa pozostałe (C2 i C3) to kondensatory elektrolityczne o pojemności 100μF.

Kondensatory elektrolityczne mają swoją określoną biegunowość, a podłączenie ich do układu odwrotnie może się skończyć nieciekawie (nawet wybuchem!) dlatego na schemacie zaznaczamy je jako dwa prostokąty: pusty w środku- biegun dodatni+ i zamalowany minus  – biegun ujemny.

Kondensator ceramiczny, podobnie jak rezystor, nie jest elementem biegunowym, dlatego można podłączać do układu w dowolny sposób. Odzwierciedla to jego symbol na schemacie – dwie równoległe linie.

No dobrze, ale po co właściwie stabilizator otoczony jest przez kondensatory? Dlaczego są one połączone równolegle, a nie np. szeregowo?

Wiemy, że rolą stabilizatora jest utrzymywanie na wyjściu stałego napięcia niezależnie od podłączonego do układu obciążenia, jak i wahań napięcia na wejściu, tzw. tętnień. Ponadto wiemy również, że budowa wewnętrzna stabilizatora jest mocno skomplikowana i właśnie to jest przyczyną tego, że mogą się one wzbudzać (choć nie muszą!), powodując tzw. szumy.

Brzmi to dość dziwnie – element do którego dostarczane jest wahające się napięcie i którego rolą jest stabilizować to napięcie, wzbudza się powodując jego zmiany! Szum nie jest tak duży jak w przypadku spadków napięcia spowodowanych chociażby załączanymi silnikami. Są to niewielkie zmiany napięcia, co przedstawia poniższy przykładowy screen z oscyloskopu (istota problemu):

 Szumy niekiedy (nie zawsze!) powstające za stabilizatorem napięcia mogą mieć różną częstotliwość. Szumy o wysokiej częstotliwości są niwelowane przez kondensatory ceramiczne a te o niższej częstotliwości przez kondensatory elektrolityczne. Jako, że są to już bardziej skomplikowane zjawiska, na razie nie będziemy dalej rozwijać tematu szumów.

Kolejny screen z oscyloskopu pokazuje napięcie ze stabilizatora podłączonego z kondensatorami – szumy są wyraźnie mniejsze:

Jeszcze tylko jedna kwestia – dlaczego kondensatory są połączone równolegle, a nie szeregowo? Otóż różne typy kondensatorów mają różne przeznaczenia. Jedne nadają się do tłumienia przebiegów o wysokich częstotliwościach a inne o niskich. Zjawiska związane z powstawaniem zakłóceń i ich eliminacją w układach elektronicznych na chwilę obecną nie będą omawiane z uwagi na  to, iż jest to temat zbyt trudny aby go przedstawiać na tym etapie.

Połączmy na płytce stykowej podzespoły wg poniższego schematu:

Źródłem zasilania standardowo jest nasz koszyk na 4 baterie. Uwaga! Na potrzeby tego doświadczenia najlepsze będą nowe, w pełni naładowane baterie, ponieważ nasz stabilizator potrzebuje jak największej różnicy potencjałów pomiędzy napięciem stabilizowanym a napięciem zasilania.

Kondensatory C1 i C4 to kondensatory ceramiczne 100nF (oznaczenie na obudowie: 104), a kondensatory C2 i C3 to kondensatory elektrolityczne o pojemności 100μF (przypominam że pasek na obudowie oznacza nóżkę minusową, a odwrotne połączenie biegunów grozi wybuchem!).

Jeśli zmierzymy napięcie pomiędzy nóżką stabilizatora IN a masą (GND) otrzymamy wartość zbliżoną do napięcia zasilania:

Jeśli zmierzymy napięcie pomiędzy nóżką stabilizatora OUT a masą (GND) otrzymamy napięcie równe napięciu stabilizacji:

Podłączmy w tym miejscu (między OUT a GND) czerwoną diodę.

Rezystancję rezystora obliczamy dla napięcia 5V:

U_R1 = U_OUT – U_D1

U_R1 = 5V – 2,1V

U_R1 = 2,9V

R1 = U_R1 / I

R1 = 2,9V / 20mA

R1 = 145Ω

 Rezystor R1 ma mieć rezystancję 145Ω, więc użyję rezystorów 100Ω i 47Ω.

Gdyby czerwoną diodę podpiąć bezpośrednio do źródła zasilania potrzebowałaby rezystora minimum 195Ω. Tymczasem ja podłączyłam ją za stabilizatorem z rezystorami o łącznej rezystancji 147Ω, co jest najlepszym dowodem na to jak funkcjonuje stabilizator.

Wiemy już, że stabilizator napięcia to układ utrzymujący na wyjściu stałe napięcie niezależnie od występujących zmian napięcia na wejściu. Teraz spróbujemy zbudować układ który na wyjściu utrzyma stałe natężenie prądu, niezależnie od podłączonego obciążenia (oczywiście w dopuszczalnych granicach, bo to nie perpetuum mobile ;))

Na dzisiejszej lekcji chciałabym Wam zaproponować taki oto ciekawy układ, który (zapewniam) bardzo Wam się przyda w przyszłości, ponieważ może mieć wiele zastosowań:

Zasada jego działania jest następująca:

Ze źródła zasilania B1 płynie prąd, który przechodzi przez naszą diodę D1 (zamiast niej możemy podłączyć dowolne inne obciążenie). Następnie prąd płynie przez złącze kolektor-emiter tranzystora T1. Rezystor R2 jest tak dobrany, aby przez tranzystor T1 płynął maksymalny (oczekiwany) prąd gdy tranzystor T2 jest wyłączony. Wypływający z tranzystora T1 prąd przechodzi przez rezystor R1 i potencjometr P1. Ich wartości są tak dobrane, aby przepływający przez nie prąd otwierał tranzystor T2 w zależności od nastawy suwaka P1.

Wróćmy do prądu wypływającego z rezystora R2 – rozdziela się on i część idzie do bazy tranzystora T1, ale większość przechodzi przez tranzystor T2 (gdy jest załączony). Prąd płynący  przez  T1 powoduje spadek   napięcia na rezystorze R1 i potencjometrze P1, który zasila bazę tranzystora T2. Przez tranzystor T2 płynie prąd – przez  złącze kolektor – emiter, co w konsekwencji ogranicza też prąd płynący do bazy tranzystora T1, a to powoduje zmniejszony przepływ prądu przez złącze kolektor – emiter tranzystora T1 i jednocześnie spadek prądu dopływającego do bazy tranzystora T2…

W pewnym momencie ustali się miedzy tymi dwoma tranzystorami stan równowagi, którego konsekwencją będzie stały prąd dopływający do elementów obciążających nasz układ (w moim przypadku do diody D1). Zmiana (zwiększenie lub zmniejszenie) obciążenia spowoduje ustalenie nowego stanu równowagi, którego konsekwencją będzie prąd płynący przez obciążenie o takim natężeniu co poprzednio.

Mam nadzieje, że zasada działania układu jest dla Was zrozumiała. Jeśli tak, przejdziemy do dobrania odpowiednich parametrów użytych w układzie podzespołów.

Źródło zasilania B1 to jak zwykle nasz koszyk z 4 bateriami, którego łączne napięcie wynosi ok. 6V. Dla takiego źródła zasilania przeliczymy nasz układ, ale nic nie stoi na przeszkodzie, abyście w przyszłości modyfikowali go pod inne zasilanie źródłowe czy inne parametry.

Żeby dokonać jakichkolwiek obliczeń najpierw musimy przyjąć sobie jakieś założenie wyjściowe: załóżmy więc, że minimalny prąd dostarczany do obciążenia ma wynosić I_min ≈ 3mA (przybliżenie wynika z trudności wykonania dokładnych obliczeń).

Oba nasze tranzystory to dobrze nam znane BC548B (typ NPN, jak zapewne zauważyliście po symbolu na schemacie). Zgodnie z ich notą katalogową (o czym już pisałam tutaj) przy napięciu U_BE = 0,77V tranzystor przechodzi w stan nasycenia, a dalsze zwiększanie napięcia nie ma wpływu na prąd kolektora.

Mając na uwadze powyższe założenie dotyczące prądu minimalnego oraz przyjmując U_BE dla T2 w wysokości 0,7V dobierzmy rezystor R1:

R1 = U_BET2 / I_MIN

R1 = 0,7V / 0,003A

R1 = 233Ω

Rezystancja rezystora R1 ma wynosić 233Ω, pamiętajmy jednak że jest to przybliżony wynik (nie uwzględniliśmy spadku napięcia na tranzystorze, równolegle połączonego potencjometru, itd.) a my nie mamy takiego rezystora w swoim zestawie, więc użyjemy 220Ω.

Jeśli chodzi o dobór potencjometru, tu nie ma większego problemu z obliczeniami – użyjemy potencjometru 10k z naszego zestawu, ponieważ… innego nie mamy :)

Rozważmy 2 skrajne przypadki położenia pokrętła potencjometru P1:

• ślizgacz jest zwarty do nóżki plusowej, co obrazuje poniższy schemat:

W tym położeniu pokrętła napięcie pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T2 U_BE wynosi 0,7V, a cały układ pracuje zgodnie z opisaną wyżej zasadą działania – prąd płynący przez jeden z tranzystorów wpływa na prąd płynący przez drugi z tranzystorów, aż do ustalenia stanu równowagi.

• ślizgacz jest zwarty do masy, co obrazują poniższe schematy:

W tym położeniu pokrętła potencjometru różnica potencjałów pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T2 wynosi 0V. Jak wiemy, aby tranzystor działał to napięcie musi wynosić minimum 0,58V. W tej sytuacji tranzystor jest wyłączony i układ należy rozpatrywać tak, jakby go nie było (Ryc. 18 b). Z uwagi na brak włączonego T2, nic nie koryguje pracy tranzystora T1, więc nasz układ nie pełni funkcji stabilizatora natężenia prądu!

Wróćmy do obliczeń: łączna rezystancja (R_P1R1) potencjometru P1 i rezystora R1, które rozpatrujemy jak zwykłe rezystory połączone równolegle wynosi:

R_P1R1 = (R1 x P1) / (R1 + P1)

R_P1R1 = (220Ω x 10.000Ω) / (220Ω + 10.000Ω)

R_P1R1 = 2.200.000 / 10.220

R_P1R1 = 215,26Ω

Przyjęliśmy, że prąd minimalny ma wynosić 3mA. Teraz musimy określić też jego maksimum.

Gdyby do układu nie było podłączone żadne obciążenie i jeśli nie weźmiemy pod uwagę rezystancji rezystora R2 oraz spadku napięcia na tranzystorze T1 maksymalny prąd jaki mógłby popłynąć w układzie to:

I_MAX = U_B1 / R_P1R1

I_MAX = 6V / 215,26Ω

I_MAX = 27,9 mA

Niestety takiego prądu nie otrzymamy z uwagi na pominiętą w obliczeniach rezystancję R2 i spadek napięcia na tranzystorze T1. Dlatego też, do dalszych obliczeń przyjmiemy, że I_MAX wynosić będzie nieco mniej, a mianowicie 20mA.

Maksymalny spadek napięcia na rezystorze R1 i potencjometrze P1 to:

U_P1R1 = I_MAX x R_P1R1

U_P1R1 = 20mA x 215,26Ω

U_P1R1 = 4,3V

Przyjrzyjmy się przez chwilę tranzystorowi T1. Różnica potencjałów pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T1, czyli U_BET1 będzie sumą wymaganego do włączenia (przewodzenia) tranzystora spadku napięcia U_FT1 oraz spadku napięcia na podłączonych za tranzystorem rezystorze R1 i potencjometrze P1:

U_BET1 = U_FT1 + U_P1R1

U_BET1 = 0,7V + 4,3V

U_BET1 = 5V

Na lekcji 8 o tranzystorach zamieszczałam fragment noty katalogowej tranzystora BC548B, z którego wynikało, że jego współczynnik wzmocnienia β (określany także jako h_FE) może wynosić od 200 do 450:

Ja przyjmę do dalszych obliczeń średni współczynnik wzmocnienia β = 325.

Dobierzmy rezystancję rezystora R2 przyjmując, że do układu nie podłączono obciążenia, a wielkość prądu dopływającego do bazy tranzystora T1 ma umożliwić przepływ przez złącze kolektor – emiter prądu maksymalnego dla naszego obwodu, czyli wyliczone wcześniej I_MAX = 20mA.

I_BT1 = I_{CT1 /} β

I_BT1 = 20mA / 325

I_BT1 = 61,5μA

Spadek napięcia na rezystorze R2 określimy odejmując różnicę potencjałów pomiędzy bazą a emiterem tranzystora T1 (U_BET1) od napięcia źródła zasilania (U_B1)

U_R2 = U_B1 – U_BET1

U_R2 = 6V – 5V

U_R2 = 1V

Pozostało nam już tylko obliczenie rezystancji rezystora R2:

R2 = U_R2 / I_BT1

R2 = 1V / 61,5μA

R2 = 16.260 kΩ

Teraz przejdziemy do złożenia poniższego układu na płytce stykowej, gdzie:

T1 = T2 – tranzystor npn BC548B;

R1 = rezystory 220Ω;

R2 = rezystory 10kΩ, 3,9kΩ, 2,2kΩ;

P1 – potencjometr 10k;

D1 – czerwona dioda LED.

Zbadamy  teraz prąd jaki płynie przez amperomierz, gdy jego sondy zbliżymy do miejsca w którym byłoby podpięte obciążenie – kolektora tranzystora T1 i plusa zasilania, w sytuacji gdy pokrętło potencjometru jest skręcone maksymalnie:

• do masy:

Tak oto zmierzyliśmy prąd maksymalny jaki może płynąć w tym układzie. Pamiętajmy jednak, że w tym momencie nie pełni on funkcji stabilizatora!

• do plusa:

Zmierzony prąd minimalny jest nieco mniejszy od tego założonego (3mA), ale pamiętajmy że jest to wynik pomijania przy obliczeniach parametrów niektórych podzespołów z uwagi na trudność dokładnych wyliczeń.

Teraz do układu podłączę jedną czerwoną diodę LED – pokrętło potencjometru skręcone jest do plusa, aby nie uszkodzić diody:

Jaki będzie prąd jeśli zmierzymy go przez zwarcie amperomierzem nóżek diody oraz między diodą a kolektorem tranzystora T1?

Dlaczego zmierzony tak prąd nie jest sobie równy? Pomiar widoczny na zdjęciu a został wykonany przez przyłożenie sond amperomierza do nóżek diody podłączonej do układu. W tej sytuacji większość prądu popłynie przez amperomierz, ale niewielka część przejdzie przez diodę. Na zdjęciu b krótsza nóżka diody nie ma połączenia z kolektorem tranzystora T1, oba te elementy zostały połączone przez sondy amperomierza przez który przepływa cały prąd.

Podepnijmy kolejną diodę LED:

Spróbujmy z trzema czerwonymi diodami LED:

Prąd zmierzony amperomierzem jest nadal taki sam, choć światło diod LED coraz słabsze.

Czy w takim razie możemy podpiąć czwartą i kolejną diodę? Oczywiście możecie spróbować to zrobić w ramach doświadczenia. Pamiętajcie jednak, że nasza bateria ma napięcie jedynie 6V. Spadek napięcia na każdej z diod to 2,1V. Aby podpiąć kolejne diody, lub po prostu jakieś inne „większe” obciążenie należy zwiększyć dostarczane do układu napięcie. Niestety będzie się to wiązało również ze zmianą rezystorów czy tranzystorów, czyli układ będzie wymagał ponownego przeliczenia. Aby ułatwić Wam na przyszłość to zadanie (lub po prostu umożliwić szybkie sprawdzenie poprawności swoich wyliczeń) w zakładce „przydatne” znajdziecie plik w którym możecie wpisać swoje założenia (prąd minimalny, maksymalny, napięcie zasilania czy parametry użytego tranzystora) aby uzyskać rezystancję rezystorów R1 i R2.

We wstępie do tego ćwiczenia pisałam, że zaproponowany przeze mnie układ będzie dla Was w przyszłości bardzo przydatny. Oto przykłady jego zastosowania w praktyce:

• regulowany ogranicznik prądu do zasilaczy (zwarcie nie będzie powodowało uszkadzania podzespołów);
• ładowanie lub rozładowywanie akumulatorów stałym prądem;
• zasilania diod LED mocy (tzw. power LED) – układ należy wtedy przeliczyć na wyższy prąd.