Stabilizator (elektronika)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Stabilizatorukład elektroniczny, którego zadaniem jest utrzymywanie na wyjściu stałego napięcia (stabilizator napięcia) lub prądu (stabilizator prądu) niezależnie od obciążenia układu i wahań napięcia zasilającego. Oprócz najczęściej spotykanych stabilizatorów napięcia (prądu) stałego istnieją również stabilizatory napięcia (prądu) przemiennego. W praktyce stabilizatory prądu buduje się w oparciu o stabilizatory napięcia.

W stabilizatorach stosowane są zwykle obwody ujemnego sprzężenia zwrotnego, w których następuje porównanie napięcia wyjściowego z wzorcowym źródłem napięcia (o bardzo dużej stałości). W wyniku porównania powstaje sygnał sterujący, który wpływa na element regulacyjny tak, aby przeciwdziałać niepożądanym zmianom napięcia na wyjściu[1].

Stabilizatory dzielą się na dwie grupy: stabilizatory liniowe (o regulacji ciągłej) i stabilizatory impulsowe.

Stabilizatory liniowe napięcia (prądu) stałego[edytuj | edytuj kod]

Stabilizatory liniowe na napięcie 5 V: po lewej 7805 (obudowa TO-220, Iout = 1 A), po prawej 78L05 (obudowa TO-92, Iout = 100 mA)

Początkowo stosowane były stabilizatory liniowe oparte na elementach dyskretnych (lampy, diody Zenera, tranzystory). Z czasem wyparły je stabilizatory w postaci układów scalonych, charakteryzujące się znacznie lepszymi parametrami. Praktycznie wszystkie produkowane obecnie stabilizatory liniowe mają wbudowane obwody ograniczające prąd wyjściowy podczas przeciążenia, a także przy nadmiernym wzroście temperatury struktury krzemowej[2].

Stabilizatory liniowe można podzielić na cztery grupy[2]:

  • stabilizatory napięć dodatnich o ustalonym napięciu
  • stabilizatory napięć ujemnych o ustalonym napięciu
  • stabilizatory napięć dodatnich o napięciu ustalanym przez użytkownika
  • stabilizatory napięć ujemnych o napięciu ustalanym przez użytkownika

Większość stabilizatorów liniowych jest budowana w formie układów trzykońcówkowych. Obecnie nie używa się już w popularnym sprzęcie stabilizatorów w drogich, metalowych obudowach TO-3, a tylko plastikowych TO-220 i TO-92[2]. Na schematach elektronicznych wejście stabilizatora jest oznaczane INPUT, IN lub I, wyjście – OUTPUT, OUT lub O, a masa – GROUND lub GND. W przypadku stabilizatorów o napięciu ustalanym przez użytkownika zamiast masy występuje wejście sterujące – ADJUST lub ADJ.

Najpopularniejsze stabilizatory napięć dodatnich pochodzą z serii 78XX, a napięć ujemnych − 79XX, gdzie dwie ostatnie cyfry określają napięcie wyjściowe. W środku oznaczenia może pojawić się dodatkowa litera informująca o maksymalnym prądzie pracy: L – 0,1 A, M – 0,5 A, bez litery – 1 A lub 1,5 A, S – 2 A, T – 3 A[3]. Przykładowo LM78L05 ma napięcie wyjściowe 5 V i prąd do 0,1 A, a LM79M15 − napięcie -15 V i prąd 0,5 A. Stabilizatory serii 78XX są produkowane na maksymalnie 24 V, i analogicznie seria 79XX na maksymalnie -24 V, więc większe liczby są wykorzystywane do oznaczania napięcia wyjściowego, z częścią dziesiętną np. stabilizator 7852 ma napięcie 5,2 V, a 7885 − 8,5 V[3].

Wśród stabilizatorów o napięciu dobieranym przez użytkownika najczęściej używane są układy LM317 (napięcia dodatnie) i LM337 (napięcia ujemne)[3].

Parametry[edytuj | edytuj kod]

Zasilacz transformatorowy ze stabilizatorem liniowym. Na wejściu i wyjściu stabilizatora znajdują się kondensatory filtrujące napięcie wejściowe oraz przeciwdziałające wzbudzeniu się układu.
Schemat prostego stabilizatora o zadanym napięciu
Schemat prostego stabilizatora o regulowanym napięciu

Najważniejsze parametry stabilizatorów liniowych to:

  • Nominalne napięcie wyjściowe Uout i jego tolerancja (maksymalnie 5%, ale zwykle mniej)[2].
  • Maksymalny prąd wyjściowy Iout. Każdy stabilizator zawiera obwody ograniczające prąd do pewnej ustalonej wartości, zwykle z zakresu od 100 mA do 10 A[2]. Podawany w katalogach prąd wyjściowy jest wartością umowną. W rzeczywistości maksymalny prąd może być inny: zdecydowanie większy przy niskich temperaturach struktury, a niższy przy dużych napięciach pomiędzy wejściem a wyjściem[2].
  • Zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego od Uinmin do Uinmax.
  • Minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem a wejściem stabilizatora, potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego (ang. dropout voltage), oznaczany UDO. Przy projektowaniu układu trzeba zwrócić uwagę, że najgorszych warunkach pracy, czyli przy obniżonym o 10% napięciu sieci energetycznej i maksymalnym prądzie obciążenia, chwilowe napięcie na wejściu stabilizatora musi być wyższe od wymaganego napięcia wyjściowego co najmniej o wartość UDO. Jeśli napięcie wejściowe zbytnio się obniży, stabilizator przestanie spełniać swoje zadanie i na jego wyjściu pojawiać się będzie napięcie niższe od zakładanego, co przy zasilaniu napięciem z tętnieniem odpowiada występowaniu tętnieniu na wyjściu, które może być równe tętnieniom na wejściu[2]. Można przyjąć, że dla większości stabilizatorów napięcie UDO wynosi 3 V[2].
    Istnieje też specjalny rodzaj stabilizatorów, oznaczanych w katalogach LDO (ang. Low Drop Out), które mogą pracować przy napięciu UDO rzędu 0,2...1 V (np. układy serii LM2940, LM3940, LM78D, TS4274, LD1085, LF00AB, KA378, LM1086, L4940) .
  • Współczynnik stabilizacji napięciowej (ang. line regulation), który jest wyrażony jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany napięcia wejściowego:  S_{U} = {{\Delta U {out}} \over {\Delta U_{in}}}. Im mniejsza jego wartość, tym lepiej[1]. Niekiedy podaje się pokrewny parametr – tłumienie tętnień (100...120 Hz) wyrażane w decybelach[2].
  • Współczynnik stabilizacji prądowej (ang. load regulation),który jest wyrażony jako stosunek zmiany prądu wyjściowego do zmiany prądu wejściowego. Im mniejsza jego wartość, tym lepiej.
  • Rezystancja wyjściowa, określona wzorem: R_{wy} = {{\Delta U {out}} \over {\Delta I_{out}}}[1]. Rezystancja wyjściowa stabilizatorów z rodziny 78XX dla częstotliwości poniżej 1 kHz wynosi zazwyczaj kilkadziesiąt miliomów lub mniej. Oznacza to, że przy zmianie prądu o 1 A napięcie obniży się nie więcej niż o kilkadziesiąt miliwoltów[2].
  • Moc strat – jest to maksymalna moc, która może być rozproszona przez stabilizator w postaci ciepła, określona wzorem:  P= {U_{IO} \cdot {I_L}} , gdzie UIO to różnica napięć między wejściem a wyjściem stabilizatora, a IL to prąd płynący przez obciążenie. Stabilizator w małej plastikowej obudowie TO-92 może rozproszyć ok. 500 mW, stabilizator w obudowie TO-220 bez radiatora – około 1 W, stabilizator w obudowie TO-220 z radiatorem – 5..30 W, w zależności od rezystancji termicznej między strukturą a obudową i rezystancji termicznej radiatora[3].
  • Sprawność energetyczna – stosunek mocy oddawanej do odbiornika do mocy pobieranej ze źródła zasilania. Sprawność jest wyrażana w procentach i określana wzorem:
    \eta = {P_{out} \over P_{in}} \cdot 100% = {{U_{out} \cdot I_{out}} \over {U_{in} \cdot I_{in}}} \cdot 100% [1].
    Stabilizatory liniowe charakteryzują się sie generalnie niska sprawnością energetyczną. Sprawność stabilizatorow szeregowych jest zależna od napięcia wejściowego i wyjściowego stabilizatora i spada wraz ze wzrostem różnicy tych napięć. W przypadkach jednak gdy roznica ta nie jest duża - sprawność może osiągać wysokie wartości.
  • Prąd spoczynkowy stabilizatora – prąd pobierany przez sam stabilizator. Zazwyczaj wynosi 3...6 mA, ale w przypadku starszych stabilizatorów LDO przy małej różnicy napięć między wejściem a wyjściem UIO prąd spoczynkowy może wzrastać nawet do 100 mA. Przykładem jest stabilizator L4940, w którym szeregowym elementem regulacyjnym jest tranzystor PNP, potrzebujący znacznego prądu bazy dla osiągnięcia małego napięcia nasycenia UCE. W stabilizatorach LDO nowej generacji elementem regulacyjnym jest tranzystor polowy MOSFET P, dzięki czemu prąd spoczynkowy jest stały i wynosi kilka do kilkudziesięciu mikroamperów[3].

Stabilizatory impulsowe napięcia (prądu) stałego[edytuj | edytuj kod]

Stabilizatory impulsowe utrzymują na wyjściu średnią wartość napięcia na zadanym poziomie poprzez okresowe włączanie i wyłączanie elementu regulacyjnego. Napięcie z elementu kluczującego jest filtrowane, w wyniku czego uzyskuje się napięcie o wymaganych parametrach. Stabilizatory tego typu charakteryzują się dużą sprawnością energetyczną (70-90%), niemal niezależną od różnicy napięcia wejściowego i wyjściowego. Ich konstrukcja wymaga zazwyczaj stosowania elementów dyskretnych w postaci indukcyjności oraz kondensatorów i ponadto ze względu na sposób działania mogą wprowadzać zakłócenia. Stabilizatory impulsowe są powszechnie stosowane w układach o większej mocy (od kilku watów wzwyż) oraz w układach, w których występuje duża różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym. Stabilizatory impulsowe zawierające transformator zasilany napięciem kluczowanym, są nazywane przetwornicami napięcia i są powszechnie stosowane w układach zasilania sprzętu elektronicznego w tym i w zasilaczach komputerów.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  1. Andrzej Borkowski, Układy scalone w stabilizatorach napięcia stałego, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1985 ISBN 83-204-0644-7.

Przypisy

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Elektronika analogowa – stabilizatory (pol.). [dostęp 3 grudnia 2009].
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 Piotr Górecki. Stabilizatory liniowe (1). „Elektronika dla Wszystkich”, s. 54-61, 1996-09 (pol.). [dostęp 2009-12-03]. 
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Piotr Górecki. Stabilizatory liniowe (2). „Elektronika dla Wszystkich”, s. 58-62, 1996-10 (pol.). [dostęp 2009-12-06].