Zaloguj się
Wszystkie
5 września 2022
3129
Czym jest stabilizator napięcia?
Ten układ pracuje w obwodach napięcia stałego. Służy do zamiany napięcia, które zmienia się w pewnym zakresie na inne, którego wartość jest bardzo dobrze określona, a zmiany zdecydowanie mniejsze. Takie napięcie jest wymagane przez wiele czułych obwodów - zarówno cyfrowych, jak i analogowych.
Poglądową zasadę działania każdego stabilizatora przedstawia ten rysunek. Czarna skrzynka to właśnie stabilizator, który zmniejsza tętnienia napięcia i ustala jego wartość.
Różne wykonania
Stabilizatory mogą działać na dwa różne sposoby. Mają przy tym inne cechy.
Stabilizatory liniowe mogą jedynie zmniejszyć napięcie do ustalonej wartości, a jego nadmiar przekształcają w ciepło. Są tanie i proste, lecz mają niską sprawność - niewykorzystaną część energii tracą w postaci ciepła.
Czym innym są stabilizatory impulsowe, które potrafią zarówno obniżyć napięcie, jak i je podnieść. Mają przy tym zdecydowanie wyższą sprawność, ponieważ tracą jedynie niewielką część mocy. Są za to bardziej złożone i emitują zakłócenia elektromagnetyczne.
W tym artykule zostaną omówione oba rodzaje stabilizatorów.
Czego potrzebuje stabilizator?
Aby działać poprawnie, stabilizator napięcia musi zawierać kilka podstawowych bloków. Bez nich, poprawna praca tego układu byłaby niemożliwa
Układy działające impulsowo są nieco bardziej złożone w działaniu, dlatego zostaną omówione później. Na razie skupimy się na stabilizatorach liniowych.
Źródło napięcia odniesienia
Ten element jest jak dobra poziomica na budowie - bez niego ani rusz. Stanowi wzorzec napięcia, tak samo jak poziomica jest wzorcem pionu i poziomu lub miarka stanowi dla nas informację o długości.
Rolą tego elementu jest dostarczenie układowi stabilizatora informacji o tym, ile wynosi napięcie odniesienia. To do niego jest potem porównywane napięcie wyjściowe. Elektronika sama z siebie nie wie, ile dane napięcie wynosi. Musimy jej to “pokazać” przez wyprodukowanie i podanie takiego napięcia, o dobrze ustalonej wartości.
Najprostszym źródłem napięcia odniesienia jest dioda Zenera. Produkuje się ją od wielu lat, chociaż coraz bardziej traci na znaczeniu. Bardziej złożone układy półprzewodnikowe wypierają ją z tej roli, ponieważ ma stosunkowo kiepską dokładność - rzędu 5%, albo nawet 10%. Znajduje zastosowanie jedynie tam, gdzie wartość napięcia nie odgrywa większej roli.
Taka dioda pracuje spolaryzowana zaporowo. Dochodzi wtedy w jej złączu do efektu zwanego przebiciem Zenera. Cechuje się dobrym ustaleniem napięcia między wyprowadzeniami tego elementu. Kiedyś była jedynym wzorcem napięcia, dzisiaj raczej stosuje się układy zawierają w swej strukturze wiele tranzystorów. Ich wrażliwość na zmiany natężenia prądu oraz temperatury jest zdecydowanie mniejsza.
Przykładem takich źródeł mogą być układy LM385 albo TL431. Zachowują się jak dioda Zenera (TL431 można nawet regulować), tylko ich stabilność została znacznie podniesiona.
Element wykonawczy (lub układ regulacyjny)
Jeżeli idziemy w stronę analogii budowlanych, to element wykonawczy stabilizatora jest na budowie koparką albo dźwigiem. Wykonuje ciężką pracę, a im potężniejszy, tym więcej jest w stanie zrobić.
Najczęściej jest nim tranzystor - unipolarny lub bipolarny. To przez niego przepływa prąd wypływający z wyjścia stabilizatora. Na nim odkłada się nadmiarowa część napięcia, która zostaje zamieniona w ciepło. Bez tego składnika, z wyjścia stabilizatora można byłoby pobierać jedynie niewielki prąd.
Bardziej ogólna nazwa to układ regulacyjny, ponieważ to on dokonuje faktycznej regulacji napięcia wyjściowego. Tyle, że nie sam - trzeba nim sterować.
Wzmacniacz błędu
Angielska nazwa brzmi error amplifier, zaś w Polsce posługujemy się dosłownym tłumaczeniem tego bloku. Jego zadaniem jest takie wysterowanie elementu wykonawczego, aby napięcie do niego trafiające było równe napięciu odniesienia. Nikogo nie interesuje, co on wystawi na swoim wyjściu, w jaki sposób wysteruje ten element - ma to zrobić i już.
Wzmacniacz błędu jest wzmacniaczem różnicowym, ponieważ wzmacnia różnicę dwóch napięć: odniesienia i wyjściowego. To jest bazą do jego działania. Im dokładniejsze będzie napięcie odniesienia, tym dokładniej będzie mógł ustalić napięcie wyjściowe.
Można go przyrównać do inżyniera, który chodzi po placu budowy z poziomicą (napięciem odniesienia) i wydaje takie polecenia innym pracownikom, aby stawiane przez ich ściany były proste.
Układ sprzężenia zwrotnego
Na powyższym schemacie blokowym są nim dwa rezystory - R1 i R2 - które dzielą napięcie wyjściowe. One dostarczają sygnał sprzężenia zwrotnego do wzmacniacza błędu. Bez sprzężenia zwrotnego jakakolwiek stabilizacja byłaby niemożliwa, ponieważ ideą stabilizacji jest ciągłe porównywanie napięcia wyjściowego ze wzorcem.
Dlatego część napięcia wyjściowego jest przekierowywana z powrotem na wejście, aby układ mógł przyjrzeć się temu, co sam wyprodukował. Jeżeli to napięcie będzie zbyt niskie lub zbyt wysokie - ma szansę to skorygować. Wystarczy trochę inaczej wysterować element wykonawczy.
Układ pracujący bez zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego nie jest w stanie wygenerować dokładnego i stabilnego napięcia, ponieważ nie ma skąd brać sygnału do porównania. To jak poziomica, nawet najlepszej klasy, która stoi nieużywana w kącie, a wszyscy wykonują swoją pracę “na oko”. Może uda im się zbudować coś użytecznego, lecz raczej budowla będzie krzywa i prędko się zawali.
Rodzaje stabilizatorów liniowych
Te układy mogą zostać wykonane na kilka różnych sposobów. Ogólna zasada działania jest taka sama, ale kilka szczegółów powoduje, że nabierają nowych właściwości.
Ze stałym napięciem wyjściowym
To najpopularniejsza forma stabilizatorów. Producenci półprzewodników tak kalibrują obwód sprzężenia zwrotnego w układzie scalonym, że mamy ustalone napięcie wyjściowe, najczęściej z dokładnością rzędu kilku procent lub mniej. Zdecydowanie najczęściej spotykana seria tego typu stabilizatorów to 78xx. Ostatnie dwie cyfry oznaczają napięcie wyjściowe, na przykład:
- 7805 = 5V
- 7809 = 9V
- 7815 = 15V
- 7824 = 24V
i wiele innych. Są dostępne w różnych wersjach obudów, zarówno do montażu przewlekanego (THT), jak i powierzchniowego (SMD). Ona definiuje maksymalną moc traconą na nich oraz maksymalny prąd.
Ich użycie jest bardzo proste, gdyż mają tylko trzy nóżki: wejście (IN), wyjście (OUT) i masę (GND). Napięcie wejściowe (niestabilne) podłączamy między IN i GND, a między zaciskami OUT i GND mamy dostępne napięcie o stałej wartości. Trzeba podłączyć również dwa kondensatory, które zapewnią stabilną pracę układu - szczegóły są w nocie katalogowej.
W ten grupie są również stabilizatory napięcia ujemnego, oznaczone symbolem 79xx. Służą do stabilizacji napięcia niższego niż 0V, na przykład na potrzeby zasilania układów analogowych.
Z regulowanym napięciem wyjściowym
Niekiedy nie zadowala nas jedno napięcie, zdefiniowane na sztywno. Czasem chcielibyśmy móc je swobodnie regulować ale tak, aby stabilizator nadal czuwał nad jego wartością. Takie układy również istnieją - do tego grona zaliczamy bardzo popularny stabilizator typu LM317. Ma trzy końcówki, podobnie jak LM78xx, ale rezystory dzielnika w pętli sprzężenia zwrotnego dokładamy do niego oddzielnie.
Taki układ pozwala na regulację napięcia wyjściowego w bardzo szerokich granicach. Można w ten sposób uzyskać bardzo prosty zasilacz laboratoryjny
LDO - Low Dropout
Tradycyjne stabilizatory - takie, jak pokazane wyżej - wymagają dosyć wysokiego spadku napięcia do poprawnego działania. Tę wartość napięcia nazywa się dropoutem (nie ma polskiego odpowiednika) i oznacza minimalną różnicę napięcia między wejściem i wyjściem. Na przykład stabilizator typu 7805 ma napięcie wyjściowe 5V i dropout rzędu 2V - czyli na jego wejście trzeba podłączyć napięcie o wartości nie mniejszej niż 7V aby pracował prawidłowo.
2V to dosyć wysoki spadek napięcia, zwłaszcza, że to napięcie zostanie bezpowrotnie przekształcone na ciepło. Dlatego opracowano specjalne stabilizatory typu LDO, które cechują się właśnie niskim dropoutem - nawet rzędu 0,2V, choć szczegółów zawsze trzeba szukać w nocie katalogowej producenta. Oznacza to, że napięcie wejściowe musi być wyższe tylko o 0,2V względem napięcia wyjściowego.
Jak to zrobiono? Element wykonawczy pracuje zupełnie inaczej, co wiąże się z reorganizacją całej struktury stabilizatora. Nadal zawiera wszystkie cztery bloki, które opisano wyżej, ale zasada ich działania jest już nieco inna. Pętla sprzężenia zwrotnego musi być teraz tak dobrana, aby ten układ się nie wzbudzał (czyli generował samoistnie sygnału zmiennego) co wcale nie jest proste.
Stabilizatory LDO również znajdziemy w wersji z regulowanym napięciem, jak i ustalonym na sztywno. Też mają trzy końcówki i wymagają do działania kondensatorów, choć tutaj ich pojemność, wykonanie oraz odległość od wyprowadzeń stabilizatora są już znacznie bardziej krytyczne. Jednym z nich jest LM2931 - niewielki układ dostarczający prąd o natężeniu do 100mA, którego dropout nie przekracza wspomnianych 0,2V.
Z zabezpieczeniami
Niemal każdy produkowany dzisiaj stabilizator liniowy posiada kilka wbudowanych zabezpieczeń, a zwłaszcza przed przegrzaniem oraz przed zbyt wysokim poborem prądu. Są również inne, jak przed zbyt niskim napięciem wejściowym - po szczegóły warto zajrzeć do noty katalogowej danego układu. Producenci zapewniają liczne rozwiązania, które ułatwiają życie elektronikom
Stabilizatory impulsowe
Te układy mogą działać tylko po sprzęgnięciu ich z cewką. To ona cyklicznie gromadzi niewielkie porcje energii, po czym oddaje je do obciążenia. Rolą układu scalonego jest odpowiednie załączanie i wyłączanie cewki - tak, aby uzyskiwać żądane napięcie wyjściowe.
Inna nazwa tego układu to przetwornica impulsowa, ponieważ doładowuje cewkę impulsami. Jednak na wyjściu znajduje się napięcie stałe, co jest możliwe dzięki odpowiednim kondensatorom filtrującym.
Jak to działa?
Schemat podstawowej przetwornicy impulsowej, której zadaniem jest obniżanie napięcia, znajduje się poniżej. Jej nazwa w literaturze fachowej to buck. Nie uwzględnia dodatkowych elementów jak źródło napięcia odniesienia, wzmacniacz błędu i obwód sprzężenia zwrotnego - chociaż one też są obecne.
Kiedy tranzystor Q przewodzi, cewka L ładuje się prądem pochodzącym ze źródła napięcia U. Jej prąd rośnie, energia w niej zgromadzona również. W dalszej części obwodu prąd ten płynie przez kondensator C i obciążenie, którym tutaj jest rezystor R.
Po zatkaniu tego tranzystora, cewka próbuje podtrzymać przepływ prądu, zgodnie z Prawem Komutacji. To powoduje, że otwiera się dioda D i jest możliwe zamknięcie drogi przepływu prądu. Jednak tutaj cewka zaczyna tracić zgromadzoną wcześniej energię, rozładowuje się do obciążenia - jej prąd maleje.
Dlatego tranzystor po chwili znowu zapewnia dopływ energii ze źródła i prąd cewki narasta. Cykl zamyka się i jest powtarzany z wysoką częstotliwością, nawet rzędu setek kiloherców. Im krócej tranzystor doładowuje cewkę, tym niższe napięcie wyjściowe uzyskamy. I w drogą stronę: zwiększenie wypełniania impulsów sterujących (czyli zwiększenie czasu jego przewodzenia) zwiększa napięcie wyjściowe. Układ wzmacniacza błędu steruje więc wypełnieniem impulsów załączających tranzystor.
Różne konfiguracje
Przetwornice impulsowe mogą służyć nie tylko do obniżania napięcia. Oto kilka innych układów, które bazują na podobnej zasadzie, lecz efekt ich działania jest zupełnie odmienny.
Boost - podnosi napięcie wyjściowe powyżej wejściowego.
SEPIC - napięcie wejściowe może być zarówno niższe, jak i wyższe od wejściowego. Układ sam dostosowuje się do aktualnych warunków.
Flyback - najprostsza przetwornica zawierająca transformator. Może służyć zarówno do obniżania, jak i podnoszenia napięcia, zapewnia izolację galwaniczną między wejściem i wyjściem.
Poza wyżej wymienionymi, można spotkać inne, bardziej złożone topologie przetwornic. Należą do nich również przetwornice synchroniczne, które zawierają tranzystory MOSFET zamiast zwykłych diod - straty mocy w takim układzie są jeszcze niższe.
Inżynierowie na całym świecie stale rozwijają tę dziedzinę elektroniki, uzyskując coraz to wyższe sprawności. To wpasowuje się w trend energooszczędności, który jest bezpośrednio związany z ekologią.
Układy sterujące
Budowa stabilizatora impulsowego od zera to spore wyzwanie. Na szczęście w handlu mamy dostępną sporą liczbę różnego rodzaju kontrolerów, które zawierają większość potrzebnych elementów. Naszym zadaniem jest dołączenie dławika, kondensatorów i być może jeszcze kilku podzespołów - jednak przeważająca część takiego stabilizatora jest już zawarta w układzie scalonym. Oto niektóre z nich.
MC34063A - to jeden z najprostszych kontrolerów, na którym można łatwo wykonać przetwornicę małej i średniej mocy w wielu różnych konfiguracjach. Zaletą tego układu jest bardzo niska cena.
LM2575 - układ przetwornicy obniżającej, który do działania wymaga zaledwie kilku elementów. Można uzyskać z niego wyższy prąd niż z MC34063A, ponadto łatwo go chłodzić.
TL494 - legenda, jeśli chodzi o przetwornice wysokiej mocy. Nie zawiera tranzystorów wykonawczych, lecz liczba jego zastosowań jest naprawdę wysoka. Do tego stopnia, że nadal się go produkuje, pomimo upływu wielu lat.
Gotowe moduły
Nie w każdej sytuacji musimy budować cały stabilizator od zera. Mamy do dyspozycji wiele różnych modułów, z których odbieramy gotowe napięcie stałe. Wszystkie elementy są już wlutowane w płytkę.
Do czego używamy stabilizatorów?
W obecnych czasach byłoby prościej zapytać o to, gdzie ich nie ma. Każdy układ elektroniczny, zwłaszcza zasilany z sieci, zawiera w sobie przynajmniej jeden stabilizator. Niekiedy nawet kilka. Oto parę obszarów ich zastosowania.
Zasilanie układów cyfrowych
Zwłaszcza mam tu na myśli mikrokontrolery. Te pożyteczne układy cyfrowe zadomowiły się w elektronice na dobre i ani myślą nas opuszczać. I słusznie - ich możliwości są coraz większe, a ceny stale maleją. Trzeba jednak mieć na uwadze, że nawet najlepszy mikrokontroler nie zda się na nic, jeżeli nie będzie miał doprowadzonego stabilnego zasilania o niezmiennej wartości. Niedopatrzenia na tym polu są przyczyną wielu zawieszeń różnych systemów oraz ich nieprawidłowego działania.
Układy FPGA są jeszcze bardziej wrażliwe na zasilanie. Po pierwsze, wymagają kilku napięć. Po drugie, muszą się one włączać w odpowiedniej kolejności, aby układ ruszył prawidłowo. Ponadto, pobór prądu z zasilacza potrafi być olbrzymi, rzędu nawet kilkudziesięciu amperów - w impulsie. Bez odpowiedniej stabilizacji ani rusz.
W przeszłości nie było pod tym względem inaczej. Wielkie płyty zawierające mnóstwo układów TTL wymagały stabilizowanego napięcia o wartości 5V. Pożerały przy tym znaczną moc, a jakakolwiek odchyłka w napięciu zasilania była boleśnie karana zawieszeniem się takiego układu.
Układy analogowe
Tutaj stabilizacja napięcia to “być albo nie być” dla wielu układów. Zwłaszcza dotyczy to bloków przetwarzających słabe sygnały, które nie mogą sobie pozwolić na wprowadzanie do nich jakichkolwiek zakłóceń - w tym również pochodzących z zasilania.
Do ustalenia napięcia
Ale nie zawsze potrzebujemy stabilizatora do górnolotnych celów. Niekiedy zależy nam na ustawieniu stałego poziomu jasności taśmy LED albo zasilania zabawki dla dziecka. Stabilizator może też służyć do obniżenia napięcia z akumulatora samochodowego, kiedy chcemy z niego zasilać niewielkie radyjko na działce. We wszystkich tych zastosowaniach chcemy jednego: napięcia stałego o stabilnie trzymanej wartości.
Podsumowanie
Stabilizator napięcia działa przez ciągłe porównywanie napięcia wyjściowego z referencyjnym, zwanym źródłem odniesienia. Na tej podstawie układ zwany wzmacniaczem błędu steruje elementem wykonawczym. W ten sposób może na bieżąco korygować napięcie wyjściowe. Stabilizatory mamy dostępne zarówno w wykonaniu liniowym, jak i impulsowym - ona te rodzaje mają swoje wady i zalety, na co warto zwrócić uwagę.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
