Úloha 6

q Diódový usmerňovač a stabilizátor

Cieľom úloh tohto praktika je oskúšať diódu  v iných  zapojeniach ako obmedzovač a spínač . Táto úloha rozšíruje poznatky z úvodnej úlohy 1 v oblasti použitia diódy vo funkcii:

• jednocestného usmerňovača ;
• dvojcestného usmerňovača;
• kaskádneho násobiča napätia;
• stabilizátora napätia.

Z nesymetrie diódových charakteristík vyplýva najbežnejšia aplikácia diód - usmerneníe striedavého prúdu. Obrázok 1 ilustruje najjednoduchšie zapojenie jednocestného usmerňovača, kde ku zdroju striedavého napätia s amplitúdou U₁ cez diódu D je pripojený zaťažovací odpor R₁. Počas trvania priepustnej polovlny je k zdroju zaradený odpor R₁+R_G (do odporu R_G=R_tr +R_DF je zahrnutý vnútorný odpor zdroja R_tr  (napr. transformátora) a odpor vodivej diódy R_DF). Usmernený prúd bude mať polovlný sinusový charakter s amplitúdou I_m=U₁/( R₁+R_G). Počas záverne pólovanej polovlny bude dióda uzavretá. Stredná hodnota takto usmerneného prúdu je I_js=I_m/p. Priebeh napätia na vstupe a výstupe usmeňovača ilustruje obrázok 2. 

Amplitúda napätia U_out na výstupnej záťaži bude zmenšená o úbytok na odpore R_G, takže amplitúda U_out = U₁-I_mR_G a stredná hodnota usmerneného napätia U_js = (U₁ - I_mR_G)/p . 

Pri dvojcestnom usmernení sa funkcie diód striedajú takže usmernený prúd a napätie majú priebeh podľa obrázku 4b. Stredné hodnoty sú preto dvojnásobné, takže napr. napätie naprázdno U_js0 = (2U₁ )/p . 
 

Obr. 1a. Jednocestný usmerňovač.

 

Obr. 2. Ilustácia funkcie jednocestného usmerňovača. (Vstupné striedave napätie u1 a výstupného jednocestne usmernené napätie u2.

Iné pomery nastanú ak je na jednosmernej strane zapojený protismerný zdroj stáleho napätia, napr. keby usmerňovač nabíjal akumulátorovú batériu. Potom napätie U₁ prevyšuje napätie akumulátorovej batérie len počas časti vrcholov sinusoveho priebehu napätia. Podobné pomery nastanú ak je namiesto akumulátorovej batérie pripojený paralelne k záťaži veľký filtračný (zberací) kondenzátor (na obr. 3 označený C₂). 

V rovnovážnom stave sa na kondenzátore ustáli také napätie, pri ktorom náboj odvedený záťažou R1 za celú periódu je práve rovný náboju dodanému cez diódu počas trvania stavu otvorenia diódy. Ak má kondenzátor obmedzenú kapacitu narastá na ňom napätie počas trvania vodivosti diódy, kdežto počas zbytku periódy exponencialne klesá. Usmernené napätie má striedavú zložku - zvlnenie, ktorú možno považovať za súčet zložky zo základnou frekvenciou a ďalšich zložiek vyššich harmonických. Za usmerňovačom spravidla nasleduje filter, ktorý vyššie harmonické zložky potlačuje viac než zložku so základnou frekvenciou. Pri malom prúdovom zaťažení usmerňovača je zvlnenie malé.
 

Obr.3. Jednocestný usmerňovač s filtračným kondenzátorom C2 .

 

Obr.3a. Priebeh výstupného napätia z jednocestného usmerňovača pri malej filtračnej kapacite C2. (Amplitúda zvlnenia Uzv  je značná).

 

Obr.3b. Priebeh výstupného napätia z jednocestného usmerňovača pri veľkej filtračnej kapacite C2. Napätie sa po krátkom prechodnom jave ustáli na "skoro" jenosmernej stálej hodnote.

 

Obr. 3c. Ilustácia priebehu napätia na zberacom kondenzátore jednocestného usmerňovača pri rôznom prúdovom zaťažení.

u Jednocestný usmerňovač prakticky

1. V zapojení podľa obrázku 1 nakreslite priebeh napätia na vstupe u₁(t), na výstupe out u₂(t), odmerajte amplitúdu vstupného striedavého napätia U₁, amplitúdu usmerneného napätia na výstupe U₂ a určite rozdiel amplitúd U_DF=U₁-U₂, ktorý spôsobuje dióda. Kontrolu funkcie jednocestného usmerňovača možno názorne vykonať pomocou dvojlúčového osciloskopu. Priebeh na obrazovke by mal byť podobný obrázku 2. Z odmeraného rozdielu vstupnej a výstupnej amplitúdy, ktorý reprezentuje úbytok napätia na vodivej dióde U_DF=U₁-U₂ možno usúdiť o type materiálu, z ktorého je dióda zhotovená. (Pre kremník je U_DFokolo 0,6 až 0,7V, pre germanium je U_DF = 0,15 až 0,2V.)

2. Presvedčte sa, že striedavá zložka výstupného napätia - zvlnenie u_zv(t) má v prípade jednocestného usmerňovača frekvenciu zhodnú s frekvenciou vstupného napätia. V dôsledku pripojenia kondenzátora C₂ na výstup obvodu podľa obrázku 1b sa zmení tvar výstupného napätia. Kondenzátor sa počas polovlny periodického napájacieho napätia nabije a počas intervalu, keď je dióda nevodiva nestihne sa celkom vybiť. Na ilustračných obrázkoch je náročky najprv zvolená menšia kapacita (obrázok 3a) kondenzátora C₂, aby bolo vidno, že výstupné napätie nie je tak dokonale konštantné ako napätie napríklad z akumulátora. Napriek tomu, že pri meraní jednosmerným voltmetrom (ktorý meria strednú hodnotu napätia) sa môže zdať usmernené napätie rovnako stále ako napätie z akumulátora.

 
3. Skontrolujte, že pri väčšej kapacite zberacieho kondenzátora C₂ sa amplitúda zvlnenia U_zv zmenší. Pomerná deformácia priebehu napätia zrejme súvisí (obr.3c):
• s pomerom medzi odporm R_G, ktorý určuje dobíjací prúd a kapacitnou reaktanciou kondenzátora 1/wC, t.j. od časovej konštanty t=R_GC₂,
• so strednou hodnotou prúdového odberu I_L z usmerňovača, teda od odporu záťaži R_L cez ktorý sa vybíja zberací kondenzátor C₂ počas intervalu keď je dióda nevodivá t.j. od časovej konštanty t=R_LC₂.
4. Porovnajte amplitúdu zvlnenia U_zv pri dvoch rôznych kondenzátoroch C₂ a určite frekvenciu zvlnenia f_zv.

Obr.4a-a. Dvojcestný usmerňovač v mostíkovom zapojení (Grätzove zapojenie).

Obr.4a-b. (Greinacherov) zdvojovač - v podstate 2 v sérii zapojené jednocestné usmerňovače.

Obr.4b. Priebeh výstupného napätia z dvojcestného usmerňovača pri veľmi malej filtračnej (zberacej) kapacite C1 - teda prakticky s nezapojeným filtračným kondenzátorom C1. (Výstupný priebeh počas rôznych polovĺn stiedavého napätia je usmernený, ale jeho amplitúda v polovlnách sleduje tvar vstupného priebehu). Kapacita zberacieho kondenzátora C1 bola v meraní na obrázku 4b. zvolená zanedbateľne malá (=> ako keby tam nebol žiaden kondenzátor C1 pripojený) s cieľom demonštrovať účasť oboch polovln periodického napätia na tvorbu výstupného napätia. Za povšimnutie stojí aj úbytok amplitúdy výstupného priebehu napätia, v dôsledku sériového zapojenia 2 diód (2UDF) namiesto jednej v jednocestnom usmerňovači.

V dvojcestnom usmerňovači sa využívajú obe polovlny vstupného harmonického napätia. V mostíkovom zapojení na obrázku 4a je teda usmerňovač počas jednej polvlny zaťažený diódou D₂ a D₄ a počas druhej polvlny diódou D₁ a D₃. Frekvencia striedavej zložky - zvlnenia má dvakrát vyššiu frekvenciu ako je frekvencia vstupného napätia. Vplyv filtračného kondenzátora C₂ na zmenšenie amplitúdy zvlnenia U_zv možno ohodnotiť na základe porovnania výsledkov demonštračného merania z obrázku 4b (prakticky bez C₂) a obrázku 4c. Z uvedených obrázkov plynie uzáver, že zvlnenie bude tým menšie, čím bude použitá väčšia kapacita zberacieho kondenzátora C₁ alebo čím bude menší prúd odoberaný z usmeňovača. (Prúdový odber je v zapojení usmerňovača reprezentovaný zaťažovacím odporom R_L. Podľa Ohmovho zákona čím bude odpor R_L menší tým bude odoberaný prúd z usmerňovača väčší.)
 

Obr.4c. Priebeh výstupného napätia z dvojcestného usmerňovača pri väčšej filtračnej (zberacej) kapacite C1. (Výstupná stredná hodnota usmerneného jnapätia kolíše okolo určitej hodnoty Uu vplyvom periodického nabíjania a vybíjania kondenzátora C1. V porovnaní s jednocestným usmerňovačom, zloženom z rovnakývh súčiastok je amplitúda zvlnenia Uzv u dvojcestného usmerňovača menšia a priebeh zvlnenia má dvojnásobnú frekvenciu. Na obrázku vidno aj postupný prechodový jav ustálenia výstupného napätia.

u Meranie na dvojcestnom usmerňovači v praktiku

1. V zapojení podľa obrázku 4a nakreslite priebeh napätia na vstupe u₁(t) a na výstupe u₂(t), odmerajte amplitúdu vstupného striedavého napätia U₁, amplitúdu usmerneného napätia na výstupe U₂ a určite rozdiel amplitúd 2U_DF=U₁-U₂, ktorý spôsobujú diódy.

2. Presvedčte sa o tom, že striedavá zložka výstupného napätia - zvlnenie u_zv(t) má v prípade dvojcestného usmerňovača frekvenciu dvakrát vyššiu ako je frekvencia vstupného napätia.

3. Presvedčte sa, že pri väčšej kapacite zberacieho kondenzátora C₁ sa amplitúda zvlnenia U_zv zmenší. (Odpor záťaže R_L spolu s filtračným kondenzátorom C₁ fungujú ako dolnopriepustný filter (s časovou konštantou t=RC₁). Horná hraničná frekvencia f_h=1/(2pt ) tohto filtra by mala byť omnoho nižšia ako frekvencia zvlnenia.

4. Porovnajte amplitúdu zvlnenia U_zv pri dvoch rôznych kondenzátoroch C₁ a určite frekvenciu zvlnenia f_{zv .}

Pre menší prúdový odber možno použiť špecialne zapojenia jednocestných usmerňovacích diód v kombinácii s kondenzátormi - zdvojovače, resp. aj kaskádové násobiče napätia. 

V násobiči na obrázku 5a (na báze diód D₅, D₆ a kondenzátorov C₂, C₃ s dostatočnou kapacitou - v danom prípade C₂=C₃=1000mF) sa počas kladnej polovlny v bode 1 nabije kondenzátor C₂ cez diódu D₅ na také konštantné napätie ako v prípade jednocestného usmerňovača (obdobne ako v zapojení na obr. 4a-b). Počas zápornej polovlny v bode 1 je dióda D₅ polarizovaná v závernom smere a kondenzátor C₃ sa nabíja cez diódu D₆, podobne ako v jednocestnom usmerňovači, avšak napätím, ktoré je zvýšené o napätie na kondenzátore C₂, teda celkove na dvojnásobné napätie ako pri jednocestnom usmerňovači. Obecne na takomto pricipe možno zostrojiť pomocou p - diód a p - kondenzátorov s dostatočnými kapacitami p - násobok napätia, ako by pri rovnakom prúde dával jednocestný usmerňovač.

Rád by som upozornil na to, že každý špas niečo stojí. V tomto prípade výhra spočívajúca vo zväčšení napätia je na úkor kvality jednosmerného napätia (horšie zvlnenie ako v dvojcestnom usmerňovači ) a tiež za cenu možného menšieho prúdového odberu. Napriek tomu zapojenia podobné usmerňovaču so zdvojovačom podľa obrázku 5a sú veľmi obľubené, pretože umožňujú v niektorých prípadoch ušetriť ďalší transformátor, alebo aspoň ďalšie vinutie transformátora.
 

Obr. 5a Zapojenie mostíkového usmerňovača (s diódami D1-D4, záťažou RL1 a zberacím elektrolytickým kondenzátorom C1) v kombinácii so zdvojovačom napätia (s diódami D5-D6, záťažou RL2 a zberacími elektrolytickými kondenzátormi C3 a C2 s veľkou kapacitou 1000mF).

Na základe skúseností z praktika pri letovaní zapojenia usmeňovača a pri jeho skúšaní navrhujem Vám niekoľko dobrých rád:

1. Pred započatím letovania si pomocou ohmmetra oskúšajte či sú diódy funkčné (či nie sú nevodivé pri oboch polaritách napätia alebo či nemajú nahodou skrat) a ako sa odlišuje označenie katódy od anódy.

2. Pri začiatkoch testovania funkčnosti zapojenia použite sériovú ochranú impedanciu Z_ochr,(realizovanú pomocou odporu R~1kW alebo kondenzátora C=1/(wZ_ochr)). Vyhnete sa tak pracnej oprave poistky zdroja napájacieho napätia pri náhodnom skrate v zapojení.

3. Nesnažte sa hneď naraz zapojiť na montážnej doštičke celé zapojenie mostíkového usmerňovača a zdvojovača a až potom si overovať jeho funkčnosť (hoci pri trocha premyslenom geometrickom usporiadaní súčiastok aj takýto postup je možný). Rozmery elektrolytických kondenzátorov a diód neumožňujú dostatočne prehľadnú montáž a často komplikujú hľadanie chýb. Obrázok X ilustruje možný postup zapájaniale súčiastok s následným skúšaním funkčnosti po častiach.

4. Nezabudnite, že elektrolytické kondenzátory majú predpísanú polarizáciu vývodov.

5. Pri začiatkoch skúšania radšej použite striedavý rozsah voltmetra pre merania striedavého vstupného napätia ako aj usmerneného napätia. Pri náhodnom omyle nehrozí totiž poškodenie voltmetra. Až potom vo funkčnom zapojení skontrolujte aj veľkosti jednosmerných napätí na správnom jednosmernom rozsahu.

Obr. X. Postup pri skúške mostíkového usmerňovača po častiach: Jednocestnej časti (s diódami D1, D2) mostíka s odporom zaťaže RL1. Oboch jednocestných častí mostíka – teda už ako dvojcestný usmerňovač, bez filtrácie a nakoniec doplniť pripojením filtračného kondenzátora C1.  Výstup z transformátora  má označenie U~a a U~b.

Výstup z transformátora  má označenie U~a a U~b.

Obr. X. Postup pri skúške zdvojovača napätia po častiach: Časti s dvoma diódami (D5, D6) jednosmerného usmerňovača (vstupného striedavého napätia U~a ) s odporom zaťaže RL2, poprípade aj s kondenzátorom C3 (resp. naprázdno len kondenzátor C3 podľa obrázku). Oboch jednocestných častí zdvojovača, teda aj s pripojeným kondenzátorom C2 – teda už s využitím usmernenia oboch polovĺn U~a a U~b vstupného striedavého napätia .

u Meranie na usmerňovači so zdvojovačom v praktiku:

1. V zapojení podľa obrázku 5a nakreslite priebeh napätia u_out1(t) na výstupe out1 s pripojeným a odpojeným zberacím kondenzátorom C₁.

• Pri odpojenom kondenzátore C₁ porovnajte amplitúdu vstupného striedavého napätia U₁, napätia na výstupe U_out1 a určite rozdiel U₁-U_out1=2U_DF.
• Nakreslite priebeh napätia na výstupe - out1 s pripojeným kondenzátorom C₁ a porovnajte amplitúdu zvlnenia U_zv pri dvoch rôznych kondenzátoroch C₁ a určite frekvenciu zvlnenia f_zv.

2. Odmerajte jednosmerné napätie U_out1 na výstupe usmerňovača out1 a na výstupe zdvojovača out2.

 
• Porovnajte amplitúdu zvlnenia U_zv na výstupoch out1 a out2 pri rôznej záťaži (napríklad pri zmene záťaže R_L1 a R_L2 na polovicu).
• Odmerajte frekvenciu zvlnenia f_zv na výstupoch out1 a out2.

Obr.5b. Proces prechodného javu ustaľovania výstupných napätí v zapojení na obrázoku 5a.

Zenerova dióda má v priepustnom smere obdobné vlastnosti ako usmerňovacia dióda. Vďaka špecialnej konštrukcii môže pracovať aj v oblasti prierazu (->U1.doc). Túto oblasť v závernom smere za zlomom jej charakteristiky možno využiť na stabilizáciu napätia.

Cieľom zapojenia na obrázku 6a je v simulovanom meraní predemonštrovať funkciu diódy v zapojení usmerňovača a funkciu Zenerovej diódy ako stabilizátora napätia. Úlohou diódy D₁, v zapojení na obrázku 6a je len pomocná:

1. v prípade voľby striedaveho napájacieho napätia V₁ poslúžiť ako jednosmerný usmeňovač,
2. poprípade pri voľbe jednosmerného vstupného napätia V₁ fungovať ako určitá poistka pre kontrolu správnosti polarizovania Zenerovej diódy. (Pri správnom polarizovaní je dióda D₁ vodivá a ZD pracuje v Zenerovej oblasti charakteristiky.)

Obr. 6a Jednocestný usmerňovač (s diódou D1) a so stabilizáciou výstupného napätia (out) pomocou Zenerovej diódy ZD. (Kapacita C1 má význam len z hľadiska filtrácie.) K výstupu môže byť pripojená záťaž, reprezentovaná odporom RL, cez ktorý tečie tečie prúd IL

u Kontrola vlastností obvodu stabilizátora pomocou zdroja jednosmerného napätia

Výsledky merania na obrázkoch 6b a 6c ilustrujú vlastnosti Zenerovej diódy (->dioda.doc obr.10, 11). Závislosti zobrazené na obrázkoch 6a a 6b boli simulovane odmerané pomocou zdroja jednosmerného napätia s postupným posuvom napätia o krok 0,1V, pripojeného k zapojeniu z obrázku 6a.

Prvá charakteristika z obrázku 6b ukazuje, že pri kladnej polarite vstupného napájacieho napätia V₁ priepustnom smere má výstup obvodu podobné vlastnosti ako usmerňovacia dióda polarizovaná v priamom smere.

Druhá charakteristika na obrázku 6c demonštruje stabilizačné účinky Zenerovej diódy polarizovanej v nevodivom smere v Zenerovej oblasti prierazu. (Vidno, že počnúc napätím U_out ~U_ZD~6V reakcia výstupu DU_out na pomerne velkú zmenu vstupného napätia  DV₁ je nepatrná.) Kontrola vlastností tohoto stabilizačného obvodu je predmetom časti úlohy 1.
 

Obr. 6b. Závislosť napätia na výstupe - out obvodu z obrázku 6a od postupne sa zvyšujúceho vstupného napätia V1 (s krokom 0,1V na osi x), ktoré polarizuje Zenerovu diódu v priepustnom smere, takže je to v podstate overenie podobnosti vlastností s obyčajnou kremíkovou diódou, polarizovanou v priamom smere. Výstupné napätie (na osi y) pri vyššich vstupných napätiach V1 sa blíži k napätiu Uout ~UDF~0,7V (kremíková dióda).

 

Obr. 6c. Závislosť napätia na výstupe - out obvodu z obrázku 6a od postupne sa zvyšujúceho vstupného napätia V1 (s krokom 0,1V na osi x), ktoré polarizuje Zenerovu diódu najprv v priepustnom smere (s vlastnosťami usmeňovacej diódy ako na obr. 6b), potom v nepriepustnom smere (s vlastnosťami odporu pri nevodivej usmeňovacej dióde) a od napätia Uout~6V s vlastnosťami napäťového stabilizátora. Výstupné napätie (na osi y) pri vyššich vstupných napätiach V1 sa blíži k napätiu Uout ~UZD~6V.

u Kontrola vlastností obvodu stabilizátora pomocou zdroja striedavého napätia.

Dióda ZD v závernom smere v oblasti napätí 0 až U_ZD je nevodivá - chová sa v tejto oblasti ako veľký odpor. Pre vyššie napätia ako U_ZD, t.j. za zlomom charakteristiky má ZD vlastnosti stabilizátora napätia s malým vnútorným odporom. Obrázok 7. potvrdzuje, ako sa v dôsledku tohto faktu bude obmedzovať amplitúda výstupných impulzov s väčšou amplitúdou ako je zlomové napätie charakteristiky U_ZD.

Ďalší obrázok 7 b je zopakovaním predošlého merania pri väčšej kapacite kondenzátora C₁. Obrázok demonštruje vyhladzovací účinok kondenzátora C₁ na výstupné napätie ako aj prechodný jav procesu ustalenia výstupného napätia.
 

Obr. 7a. Ilustrácia obmedzovacích vlastností na výstupe zapojenia z obr. 6a (bez vplyvu zberacieho kondenzátora C1) - použitá malá kapacita kondenzátora C1 ~ 10n prakticky neovplyvňuje tvar výstupného napätia. V oblasti kde je dióda ZD nevodivá kopiruje výstup tvar sinusového priebehu napätia. Veľká amplitúdy vstupného napätia je na výstupe obmedzená na amplitúdu napätia ~UZD Zenerovej diódy.

 

Obr. 7b. Ilustrácia obmedzovacích vlastností na výstupe zapojenia z obr. 6a (so zapojeným zberacím kondenzátorom C1). Vplyvom zberacieho kondenzátora C1 sa jednosmerné napätie na výstupe ustali na hodnote ~UZD.

Záverečná formulácia úlohy praktika:

Pretože na zoznámenie sa s vlastnosťami diód sú venované viaceré úlohy (U1, U7 a U6) sústreďme sa v tejto úlohe na praktickú časť:

1. Na základe vyššie uvedeného textu a ilustrácii so simulovaných meraní zaletujte zapojenie, uvedené na obrázku 5a.
2. Na základe odmeraných jednosmerných napätí (na výstupe mostíkového usmerňovača a na výstupe zdvojovača) a tiež odmeranej amplitúdy zvlnenia pri rôznej prúdovej záťaži na výstupoch oboch meraných typov usmerňovačov porovnajte ich vlastnosti.

Literatúra ( základná, v ktorej sú podrobnejšie uvedené potrebné vzťahy a pojmy):

1. Dušan Kollár: Praktikum z elektroniky a automatizacie, skriptá MFFUK, 1991.

2. Dušan Kollár: Elektronika a automatizácia 1, skriptá MFFUK, 1990, str. 88 - 106.

[Návrat]