Stromversorgungen elektronischer Ger¨ate La

Stromversorgungen elektronischer Geräte Labor: 1. Aufgabenblatt
WS2011/12
Prof. Dr.-Ing. S. Tschirley
Einfache Stromversorgungsschaltungen mit Längsregeltransistor
letzte Änderung:
Ausgabe:
21. Oktober 2011
24.10.2011
Ziele
Die Ziele dieser Praktikumsübung sind:
• Messtechnische Untersuchung des Betriebsverhaltens von Stromversorgungsschaltungen mit Längsregeltransistor
• Auswahl des richtigen Messgerätes für eine Messaufgabe
• Dokumentation der Ergebnisse in einem Kurzprotokoll
Vorbereitung
Im Rahmen der Vorbereitung ist dieses Papier durchzuarbeiten.
• Die Funktionsweise der Schaltungen wird vor dem Labortermin verstanden.
• Alle Berechnungen, die gegebenenfalls für die Durchführung notwendig sind, liegen zum Labortermin vor.
• Zum Aufzeichnen der Messwerte sind entsprechende Tabellen vorbereitet.
• Für eine definierte Erwartungshaltung im Labor ist es sinnvoll, die Schaltungen vorab simulativ1 zu untersuchen.
Protokollierung
Zu den Aufgaben fertigen Sie ein Kurzprotokoll von maximal zwei Seiten an. Dies sollte die folgenden Punkte
beinhalten:
• Die Ergebnisse Ihrer Simulation und/oder Messung werden kurz und prägnant dargelegt. Dies kann durch
Text, eine Tabelle oder einen Graphen geschehen.
• Die digitalen Speicheroszilloskope (LeCroy WaveJet 300er Serie) im Labor können Screenshots auf einem
USB-Speichermedium ablegen. Bringen Sie ein solches zum Labortermin mit.
• Die aus den Simulationen und/oder Messungen gezogenen Schlüsse werden stichpunktartig dargelegt.
• Abweichungen von Messergebnissen zur Erwartungshaltung werden aufgezeigt und erklärt.
Hinweis: Alle Schaltbilder dieses Dokuments finden Sie im pdf-Format2 in der Datei pr01-pictures.zip,
diese können Sie für Ihr Protokoll weiterverwenden.
1 Eine Studentenversion des PSPICE-kompatiblen Schaltungssimulators SIMetrix der Firma Catena finden Sie unter
http://prof.beuth-hochschule.de/tschirley/edu/werkzeuge/, diese Version beinhaltet alle für die LV notwendigen Bauteilmodelle. Dort sind ebenfalls scripte zu finden, mit denen die Simulationsdaten in Matlab eingelesen und dort dargestellt werden
können. Das wäre hilfreich, um Simulation und Messung gegenüberzustellen.
2 Erstellt
mit ipe7, http://ipe7.sourceforge.net/
Stromversorgungen elektronischer Geräte Labor: 1. Aufgabenblatt
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Aufgaben
1. Aufgabe: Einfache Spannungsstabilisierung mit Längstransistor
IA
T1
IB,T1
R1
RL
UDC
UDC
CDC
UA
IZ
DZD1
UZ
Die Bauteile sind: CDC = 1000µF Elektrolytkondensator, DZD1 : BZX85C6V2, D1...4 : MR504, DS1...S3 :
MR504 oder 1N4007, T1 : 2N3055 auf Kühlkörper, T2 , T3 : BC337, TMOS : BUZ11
R2 = 4, 7kΩ, R3 = 2, 7kΩ, R4 = 1, 2kΩ, R5 = 10kΩ, RS = 1Ω(4W), RG = 100Ω, alle RL auf Kühlkörper3
1.1. Vorbereitung: Vorwiderstand der Z-Diode
Der maximale Strom durch die Z-Diode soll IZ,max = 4, 6mA betragen. Berechnen Sie den Widerstand R1 .
Hierbei soll UDC = 20V gelten, der Ausgang befindet sich im Leerlauf.
Überlegen Sie:
• Welche Ausgangsspannung erwarten Sie?
• Welche Werte für den Strom IA sind zu erwarten? Welche LAstwiderstände setzen Sie ein?
• Welche Verlustleistung wird in T1 umgesetzt? Arbeiten Sie im sicheren Arbeitsbereich (safe operating area,
SOA)
• Warum wird auch beim Betrieb mit Labornetzteil ein Kondensator CDC verwendet?
Hinweis: Auf der letzten Seite finden Sie eine Übersicht der für das Stecksystem vorhandenen Bauelemente.
1.2. Inbetriebnahme: Verhalten bei verschiedenen Strömen
Bauen Sie die Schaltung auf und betreiben Sie diese zunächst mit einem Labornetzteil und einer Eingangsgleichspannung von UDC = 20V.
Messen Sie die Ausgangsspannung UA , die Spannungs an der Z-Diode UZ sowie den Basisstrom IB,T1 und stellen
Sie diese in einer Grafik als Funktion des Ausgangsstromes IA dar (UA = f (IA ), UZ = f (IA ) und IB,T1 =
f (IA )).
Hinweis: Überlegen Sie, welche Werte für RL sinnvoll sind, um mit wenigen Messungen die Schaltung zu charakterisieren.
Achten Sie darauf, dass Sie die Bauteile in ihrem sicheren Arbeitsbereich betreiben.
1.3. Verhalten bei Lastsprüngen (load regulation)
Die Schaltung wird um einen schaltbaren Lastwiderstand ergänzt. Dieser wird über einen MOSFET vom Typ
BUZ11 gesteuert. Die Ansteuerung des MOSFET geschieht durch eine Rechteckspannung UFG mit UFG,Low = 0V
und UFG,High = 10V.
Hinweis: Wählen Sie anfangs eine vergleichweise kleine Frequenz von beispielsweise fFG < 1Hz. Damit stellen
Sie sicher, dass die Schaltung zwischen den Schaltvorgängen einen stationären Zustand erreicht.
3 Verfügbare
Werte auf der letzten Seite
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IA
T1
IB,T1
R1
RL
UDC
UDC
RL,2
CDC
UA
IZ
DZD1
TMOS
IG RG
UZ
UFG
á Wie sehen die Zeitverläufe von uA (t), uZ (t) und iA (t) aus? Welche Anstiegs- und Abfallzeigen messen Sie
beim Strom iA (t)? Welche Abweichung zeigt uA ? Protokollieren Sie die Ergebnisse in nachvollziehbarer Form.
1.4. Untersuchung der Unterdrückung von Eingangsspannungsänderungen (line regulation)
Nun wird das Labornetzteil durch einen Brückengleichrichter mit kapazitiver Glättung (CDC = 1000µF) ersetzt.
Die entsprechende eingangsseitige Wechselspannung erzeugen Sie mittels eines Einstelltrafos, dem ein Trenntrafo
nachgeschaltet wird. Der Trenntrafo wird so eingestellt, dass die mittlere Ausgangsspannung des Gleichrichters
UDC = 20V beträgt. Wählen Sie RL = 47Ω.
Tr1
Tr2
U1
UNETZ
Trenntransformator
UEIN,AC
Transformator
25V/3A
IA
T1
D1
R1
D3
IB,T1
RL
UEin,AC
UDC
CDC
UA
IZ
D2
D4
DZD1
UZ
Messen Sie die Zeitverläufe der Spannung uDC (t) sowie der Spannung uA (t).
á Wie gut wird die Brummspannung unterdrückt?
1.5. Modifikation des Längstransistors
Der Transistor T1 wird durch den Transistor T2 ergänzt, so dass eine Darlingtonstufe entsteht.
Stromversorgungen elektronischer Geräte Labor: 1. Aufgabenblatt
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IA
T1
R1
T3
IB,T3
UDC
RL
CDC
UA
IZ
DZD1
UZ
Führen Sie die folgenden Messungen durch:
• die Ausgangsspannung UA = f (IA ) als Funktion des Ausgangsstromes IA (wie unter 1.2 beschrieben),
• das Verhalten bei Lastsprüngen (load regulation, wie unter 1.3 beschrieben),
• das Verhalten bei einer nicht ideal geglätteten Eingangsspannung (line regulation, wie unter 1.4 beschrieben)
á Wie hat sich das Verhalten im Vergleich zur ersten Schaltung geändert?
2. Aufgabe: Spannungsregelung mit einstellbarer Ausgangsspannung
Die Schaltung wird so erweitert, das die Ausgangsspannung geregelt wird und einstellbar ist. Die Eingangsspannung ist die geglättete, gleichgerichtete Wechselspannung, wie sie in Aufgabe1.4 verwendet wurde.
Untersucht werden soll das Verhalten für Leerlaufspannungen von UA,1 = 8V, UA,2 = 10V und UA,3 = 12V.
IA
T1
D1
R1
D3
R2
T3
IB,T3
UEin,AC
UDC
RL
R5
CDC
R4
UA
T3
IZ
D2
DZD1
D4
2.1. Funktionsweise der Schaltung
UZ
R3
Messen Sie für die drei Leerlaufspannungen
• die Ausgangsspannung UA = f (IA ) als Funktion des Ausgangsstromes IA (wie unter 1.2 beschrieben),
• die Brummspannung UBr,SS = f (IA ) als Funktion des Ausgangsstromes IA
Speichern Sie die Signal-Zeitverläufe für den größten Belastungsfall als Screenshot ab.
2.2. Verhalten bei Lastsprüngen (load regulation)
sprungartiger änderung des Lastwiderstandes.
Untersuchen Sie wie in 1.3 beschrieben das Verhalten bei
3. Aufgabe: Bonus: Strombegrenzung
Die Schaltung wird nun um eine Strombegrenzung ergänzt.
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Stromversorgungen elektronischer Geräte Labor: 1. Aufgabenblatt
IA
RS
T1
D1
R1
D3
R2
T3
IB,T3
UEin,AC
UDC
CDC
RL
DSW1 DSW2 DSW3
R5
R4
UA
T3
IZ
D2
D4
DZD1
UZ
R3
Wählen Sie UA,2 als Leerlaufspannung und zeigen Sie die Funktionsfähigkeit der Strombegrenzung durch eine
geeignete Messreihe auf.
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Bauteileliste
Widerstände:
Anzahl
2
1
1
1
2
1
1
2
1
1
2
Schreibweise auf den Widerständen: 4.7kΩ → 4k7
R/Ω
0,1
51
100
150
180
240
270
330
470
680
1k
P/W
5
0,5
2
2
1
1
1
3
1
0,5
0,5
Anzahl
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
0.1Ω → 0R1
P/W
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
R/Ω
1,2k
1,5k
1,8k
2,7k
3k
3,3k
3,9k
4,7k
5,6k
6,8k
8,2k
Anzahl
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
R/Ω
10k
22k
33k
39k
47k
100k
120k
150k
360k
1M
1,2M
P/W
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Widerstände auf Kühlkörper:
Anzahl
2
1
R/Ω
15
27
P/W
25
50
Anzahl
1
1
1
Kondensatoren
Anzahl
2
2
2
2
2
P/W
50
50
50
R/Ω
33
39
47
Elektrolytkondensatoren: Polung beachten!
Anzahl
2
2
2
100pF
330pF
1nF
10nF
47nF
100nF
470nF
1µF
Anzahl
2
1
1
2
2
1µF
2,2µF
4,7µF
10µF
47µF
Anzahl
2
1
1
1
1
100µF
220µF
470µF
1000µF
2200µF
Z-Dioden:
Anzahl
1
1
1
BZX85C3V3
BZX85C6V2
BZX85C8V2
UZ/V
3,3 V
6,2 V
8,2 V
P/W
Anzahl
1
BZX85C12
1
BZX85C15
UZ/V
12 V
15 V
P/W
Drosseln: L = 1mH, L = 0,4mH
Dioden:
Schalt-Dioden:
4x 1N4148
Gleichrichterdioden: 4x MR 504:
Kennwerte:
UF = 1V (10 A))
Grenzwerte:
URRM = 400V (Periodische Spitzensperrspannung);
IFAV = 3A
(Arithmetischer Mittelwert des Durchlassstromes)
IFSM = 100A (Stoßdurchlassstrom, nicht periodisch);
IFRM = 12A (Periodischer Spitzendurchlassstrom).
Schnelle Diode für
Tiefsetzsteller:
SB 550
Transistoren:
Kennwerte
Grenzwerte
Leistungstransistor:
2N 3055
Bmn = 20
Rth = 1,5k/W
ϑj, max = 200°C
PVerlust,max =
115W
I,Cmax =
15A
IBmax =
7A
Kühlkörper: 0.68k/W
NF-Bipolar-Transistor
BCY59
BCY59-7 B bei IC=2mA, UCE = 5V
BCY59-9 B bei IC=2mA, UCE = 5V
RthJU
450K/W
ϑJ
200°C
Pverlust 300mW
UCES
50V
Uce0
45V
UEB0
6V
170 (120 bis 220)
350 (250 bis 460)
Feldeffekttransistor
J-FET 2N 4858
UGS(0ff) -4V...–0.8V
PVerlust,max
0,36W
(ohne Kühlkörper)
PVerlust
W
Kleintransformator: 25V bei 3A (Kern M85a)
Operationsverstärker: µA 741C (bipolar, high speed, low noise)
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