Labor. Dokumentation und Auswertung. Kaiblinger, Poppenberger, Sulzer, Zöhrer H1435. Lineare Spannungsregler 1. Note: Page 1/12

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1 TGM Abteilung Elektronik und Technische Informatik Dokumentation und Auswertung Labor Jahrgang 3BHEL Übung Übungsbetreuer Prof. Bartos Übung am Erstellt am von Pascal Zöhrer Übungsteilnehmer Gruppe 1 Lineare Spannungsregler 1 Saal H1435 Inhalt Seite 1. Vorausgesetztes Wissen 1.1.Zenerdiode 1.2.Innenwiderstand der Spannungsquelle 1.3.Funktion der Schaltung (unten) 2. Aufaben 2.1.Spannungsregelung mit OpV als Regelverstärker Aufgabenstellung Umzeichnen zu einem 3-Pin-Regler Dimensionierung Messschaltung Aufbau Lastregelkennlinie Netzregelkennlinie Ausgangswiderstand Eigenverbrauch 2.2.Erweiterung mit Längstransistor Beschreibung Messchaltung Simulation Auswertung Beurteilung Vollständigkeit (Angabe, Doku, Labornotizen, verwendete Geräte) Schaltbilder, Messschaltungen (inkl. Dimensionierung) Messergebnisse, Tabellen Grafische Darstellung (Diagramme, Oszillogramme) Auswertungen (Interpretation, Erkenntnisse) Simulationen (Schaltungen, Vollständigkeit) Vergleich Messergebnisse Simulationen Form (Gliederung, Übersichtlichkeit, Stil) Summe bis 49% 5 bis 63% ( bis 75% 3 bis 87% 2 ab 88% 1 ) % Note: Page 1/12

2 1 Vorausgesetztes Wissen 1.1 Zenerdiode Eine Zener Diode ist eigentlich eine normale Diode abgesehen davon, dass sie im normalfall in Sperrrichtung betrieben wird. Dabei wird der Zener-Effekt ausgenutzt. Bei der Fertigung wird besonders darauf geachtet eine genaue absolute Durchbruchspannung zu erhalten. Bei dem kauf einer Zener-Diode achtet man auf die Zenerdurchbruchspannung. Zenerdioden werden üblicherweise als Spannungsreferenz oder Eingangsschutzdiode verwendet, da der Durchbruch sehr genau gefertigt werden kann. 1.2 Innenwiderstand einer Spannungsquelle Der Innenwiderstand einer Spannungsquelle ist der äquivalente Serienwiderstand nach einer Idealen Spannungsquelle. Dieser hilft einem bei der Berechnung von Schaltungen. Er bewirkt einen Ausgangsspannungsabfall abhängig von dem Ausgangsstrom. 1.3 Funktion der Schaltung (unten) Der erste Widerstand nach dem Eingang, in verbindung mit der Zener-Diode, wird als Spannungsreferenz genutzt. Das ist deswegen möglich weil eine Zener-Diode einen sehr konstanten Spannungsabfall, in Sperrrichtung, hat. Mit dieser 2,5 V Spannungsreferenz verbinden wir nun den nicht-invertierenden Eingang des OPV. Der OPV ist als nicht invertierende Verstärker konfiguriert. Das heißt, dass er versucht seinen Ausgang so zu regeln, dass an beiden Eingängen das gleiche Spannungspotential anliegt. Bei einem 1:1 Spannungsteiler heißt das, dass das Spannungspotential am Ausgang doppelt so groß ist wie das des vorgegeben vom positiven Eingang V. Somit liegen am Ausgang des OPV, sowie der Schaltung, 5V an. Page 2/12

3 2 Aufgaben 2.1 Spannungsregelung mit OpV als Regelverstärker Aufgabenstellung Funktion der Schaltung, siehe Vorausgesetztes Wissen. Warum hat der OpV keine eigene Versorgung? Es wird keine eigene Versorgung benötigt weil: 1. Eine Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang von mindestens 2 V besteht. 2. Da die gesamte Schaltung relative zu einem Massepunkt arbeitet Umzeichnen zu einem 3-Pin-Regler Dimensionierung Die Durchbruchspannung der Zenerdiode wird zur Begrenzung der Eingangsspannung des OPVs verwendet. In der Angabe wird ein Eingangsstrom von 5mA vorgegeben, somit muss die Restspannung (Eingangsspannung-Zenerspannung) durch den gewünschten Strom dividiert werden. Dadurch versucht der OPV die Spannungsdifferenz zwischen + und - Eingang anzugleichen. Daraus ist zu erkennen, dass der gegenüberliegende negative Eingang des OPVs eine Spannung von 2,5V (Zenerspannung) erreichen will. Die Dimensionierung der nachfolgenden Widerstände (R2 und R3) bestimmt die Ausgangsspannung des OPVs. Um die gewollte Spannung von 5V zu erreichen muss die abfallende Spannung nach dem ersten Widerstand 2,5V betragen, damit die Differenz von Up zu Un 0V ist. (Eingangsspannung - Zenerspannung ) / gewünschten Strom = Widerstandswert R 1 R1 = (12-2.5V)/5mA = 1.9kΩ R2 = R3 = 1kΩ gewählt Page 3/12

4 2.1.4 Messschaltung Aufbau Nach der Dimensionierung der Widerständen wurde die angegebene Schaltung aufgebaut und gemessen. (Schaltung ohne einer Last) Es wurde die Zenerdiode LM336 verwendet und der Operationsverstärker TL072CN in der Schaltung verwendet. Page 4/12

5 2.1.6 Lastregelkennlinie: Im ersten Schritt wurde Ua und Ia mit verschiedenen lastwiderständen gemessen, um eine Lastregelkennlinie mit den Messwerten zu erstellen. Die erstellte Kennlinie weiste den erwarteten Verlauf auf Messwerte: Die verwendeten Widerstandswerte entsprechen den Schritten der Widerstandsdekade. RL [Ω] Ia [ma] Ua [V] Page 5/12

6 Grafik: Ua (Ia) 5 4 Ua in V Ia in ma Simulation: Page 6/12

7 2.1.7 Netzregelkennlinie: Nach der Messung der Ausgangsspannung in abhängigkeit von dem Ausgangs strom, wurde die Ausgangsspannung in abhängigkeit der Eingangsspannung gemessen. Mit diesen werten konnten wir dann die Netzregelkennlinie erstellen. Wir veränderten die Eingangsspannung und maßen daraufhin die Ausgangsspannung. Bei dem Knick der Kennlinie veränderten wir die Eingangsspannung in kleineren Schritte um sie Messwerte: Ue V Ua V Page 7/12

8 Grafik: Ua (Ue) Ua in V Ue in V Simulation: Auswertung: Wie man in der Kennlinie gut erkennen kann erreicht die Ausgangsspannung erst einen Stabilen Wert, wenn die Eingangsspannung 7V beträgt. Daher konnten wir erkennen, dass die Dropout Spannung 2V beträgt (Ua - Ue). Page 8/12

9 2.1.8 Ausgangswiderstand: Wir ermittelten den Ausgangswiderstand in dem wir die Last veränderten bis die Ausgangsspannung die hälfte der gewünschten Spannung beträgt (2.5V). Da der Lastwiderstand und der Innenwiderstand im OPV einen Spannungsteiler bilden, kann man davon ausgehen, dass der Lastwiderstand den selben Wert wie der Innenwiderstand hat, wenn die Ausgangsspannung halb so groß ist wie gewünscht Grafik: RL (Ua) 6 5 Rl in Ω Ua in V Page 9/12

10 2.1.9 Eigenverbrauch (IQ): Theoretisch ist der Eigenverbrauch der Strom der sich aus Stromverbrauch des OPVs und dem angenommenen Strom 5mA zusammensetzt. Zu messen ist dieser dem ersten Knotenpunkt Nach der Spannungsversorgung V1. Somit muss dieser Auf Jeden Fall höher als 5mA sein, da die Berechnung von R1 auf diesem Wert nach dem Knotenpunkt basiert, solange es sich um einen genauen Widerstand handelt. Um den eigenverbrauch zu ermitteln haben wir den Verbrauch der Schaltung ohne Last gemessen. Wie auf dem Messaufbau Bild zusehen ist ist der Eigenverbrauch I Q 10,15mA groß. Somit ist davon auszugehen, dass die OPV-Versorgung 5,15mA bezieht, wenn davon ausgegangen werden kann, dass alle Widerstände den genauen berechneten Wert haben Messaufbau: Page 10/12

11 2.2 Erweiterung mit Längstransistor Beschreibung Durch die Erweiterung eines Längstransistor kann ein größerer Strom geschalten werden. Bei der Verwendung eine Längstransistor muss allerdings immer eine Grundlast vorhanden sein. Diese ist allerdings durch den Spannungsteiler von dem OPV gegeben. Leider war es uns aus zeitlichen Gründen nicht möglich diese Schaltung aufzubauen Messschaltung Simulation: Lastwiderstand Page 11/12

12 2.2.4 Auswertung Die Simulation verlief wie erwahrtet: Ab einem gewissen Ausgangsstrom bricht die Ausgangsspannung ein. Die ist dadurch bewirkt, dass der der Transistor nicht 'stark' genug durchschalten kann. Das heißt, dass das der Widerstand nicht klein genug sein kann um die Ausgangsspannung auf einem stabilen nivou zu halten. 2.3 mit Strombegrenzung Leider war es uns aus zeitlichen Gründen nicht möglich diese Schaltung aufzubauen. Page 12/12