Elektronika

Maturitní otázky

INTEGROVANÉ STABILIZÁTORY NAPĚTÍ A STABILIZÁTORY PROUDU

38.Integrované stabilizátory napětí a stabilizátory proudu

Stabilizátory

Mezi stabilizátory lze řadit všeobecně všechny obvody, které umožňují stabilizovat výstupní napětí nebo proud při změnách :

a)       výstupního (zatěžovacího) proudu

b)       vstupní (obvykle síťového ) napětí

c)       teploty okolí

Na jiných veličinách obvykle hodnota výstupního napětí nezávisí, pokud ano, je třeba sledovat i takové vlivy (např. stárnutí součástek, vliv elektromagnetických rušení apod.)

Kromě stabilizačních účinků ( kterými je míněna regulace na konstantní hodnotu ú každý typ stabilizátoru více či méně snižuje střídavou složku, výstupního napětí (zvlnění) a pracuje tedy jako filtr.

Stabilizátory napětí jsou zásadně dvou typů: parametrické stabilizátory a stabilizátory se zpětnou vazbou (degenerativní). Parametrické stabilizátory využívají vhodného průběhu voltampérových charakteristik některých součástek, stabilizátory se zpětnou vazbou obsahují regulační součástku, která je ovládána odchylkou výstupního napětí od hodnoty referenčního napětí.

Základními veličinami stabilizátoru jsou činitel stabilizace, udávající kolikrát stabilizátor zmenšuje poměrné kolísání napětí

     při R_z=konst.

kde U₁ je napětí na vstupu stabilizátoru, U₂ napětí na výstupu stabilizátoru a vnitřní odpor stabilizátoru

         při U₁=konst.

Stabilizátory stejnosměrných napětí

Rozeznáváme stabilizátory parametrické, které nemají zpětnou vazbu mezi výstupem a vstupem a stabilizátory degenerativní, které mají zpětnou vazbu mezi výstupním a vstupním napětím.

Degenerativní stabilizátory napětí

 Používají tranzistor jako regulační prvek a to buď v podélné větvi  (v sérii se zátěží), nebo v příčné větvi (paralelně k zátěži).

         Je-li tranzistor v podélné větvi, vykazuje stabilizátor velmi malý vnitřní odpor a musíme zdroj chránit před zkratem na výstupu, který obvykle vždy vede ke zničení tranzistoru. Ovšem úbytek napětí na tranzistoru bývá malý a stabilizátor mívá velkou účinnost.

                Je-li tranzistor v příčné větvi, dochází na podélném odporu k trvalé wattové ztrátě, která zhoršuje účinnost stabilizátoru. Ovšem tyto stabilizátory jsou automaticky odolné proti zkratu.

                Ukažme činnost stabilizátoru s tranzistorem v podélné větvi podle

                Na bázi regulačního tranzistoru je konstantní napětí, určované referenčním zdrojem U_ref. Tranzistor je řízen napětím U_BE , které je dáno rozdílem U_ref - U_výst . Klesne-li výstupní napětí (ať už z důvodů poklesu zátěže, nebo z důvodů poklesu vstupního napětí), zmenší se napětí na emitoru transistoru, tím vzroste řídící napětí tranzistoru U_BE , tranzistor se více otevře, jeho dynamický odpor klesne a výstupní napětí vzroste, čímž se kompenzuje pokles napětí, který regulační zásah vyvolal. Při vzrůstu výstupního napětí proběhne regulační proces opačným způsobem.

                Výstupní napětí je určeno hodnotou napětí referenčního zdroje a výsledná odchylka žádané hodnoty výstupního napětí od zadané hodnoty referenční je nepřímo úměrná zesílením v regulační smyčce. Čím je toto zesílení větší, tím je odchylka menší (jedná se o statický systém).

                Proto se nejčastěji používají stabilizátory se zesilovačem odchylky.

                V praxi se vyrábí monolitické stabilizátory v integrované formě, které se používají jako normální součástky.

  Základními typy integrovaných stabilizátorů jsou typy TESLA řady MA 78.., které se vyrábí pro kladná napětí 5, 12, 15 a 24V, (vždy je napětí uvedeno za číslem 78 v typovém označení), nebo typové řady MA 79.. pro záporná napětí. Proudové zatížení stabilizátorů je 1A trvale, nebo 2,2A špičkově. Základní zapojení stabilizátoru MA 78.. při praktickém zapojení je na obr.

  Hodnota výstupního napětí je dána vztahem .

Dalšími stabilizátory jsou obvody typu MAA 723. Tyto stabilizátory mají vnitřní zdroj referenčního napětí 7,15 V, výrobce dovolí připojit na obvod maximální napětí +40V (přičemž mezi společnou svorkou obvodu 5 a výstupní svorkou  nesmí překročit napětí +35 V), výstupní proud stabilizátoru je 150 mA. Tyto údaje dělí aplikace obvodu do 4 základních skupin:

a) výstupní napětí < 7,15V a proud < 150 mA

b) výstupní napětí 40 V> U_výst >7,15V, výstupní proud < 150 mA          

c) výstupní napětí > 40 V

d) výstupní proud  > 150 mA.

VÍCESVORKOVÉ STABILIZÁTORY

Ve výrobním sortimentu různých firem je celá řada nejrůznějších typů lineárních integrovaných stabilizátorů s více vývody, než je jenom vstup, výstup a společná (zemní) elektroda. Všechny další elektrody lze podle jejich funkce rozdělit do několika základních skupin:

a)       elektrody, umožňující nastavení nebo dostavení hodnoty výstupního napětí a jsou obvykle značené jako nastavovací (SET),

b)       elektrody, umožňující nastavit omezení výstupního proudu, označované jako SENSE nebo CURRENT LIMIT - obvykle mezi touto elektrodou a výstupem se umísťuje odpor, na kterém průchodem proudu vzniká úbytek, aktivující limitaci výstupního proudu,

c)       elektrody pomocných výstupních napětí, buď spojených s hlavním výstupním napětím, nebo i samostatné,

d)       elektroda, umožňující pomocí signálu (obvykle v úrovních T'TL) výstup zdroje zapnout či vypnout, je označována jako SHDN (shutdown) nebo EN (enable),

e)       elektrody, na které je vyvedeno vnitřní referenční napětí a elektrody pro vstup vnějšího referenčního napětí.

Vypínatelné stabilizátory

Nejjednodušší z integrovaných lineárních stabilizátorů mají pouze jednu elektrodu navíc a tou bývá elektroda, umožňující zapínání a vypínání výstupního napětí, případně i jeho pomalý náběh, pokud není žádoucí skoková změna.

Vzhledem k tomu, že tato ovládací elektroda je spojena uvnitř integrované struktury s bází tranzistoru T2, který při svém sepnutí uzemňuje bázi hlavního sériového regulačního tranzistoru T1, vyplývá z toho, že způsob ovládání elektrody ENABLE může být dvojí:

-          pro stabilizátor kladného napětí je užit ovládací tranzistor T2 typu NPN a pak k jeho spínání dochází přivedením kladného napětí na bázi, obvykle velikost logické jedničky TTL úrovně zabezpečí jeho plné sepnutí, zkratování báze hlavního regulačního tranzistoru T, na zem a tedy pokles výstupního napětí na nulu - obr.5.l,

-          pro stabilizátor kladného napětí je užit ovládací tranzistor T2 typu PNP a pak k jeho sepnutí stačí bázi uzemnit a opět po jeho sepnutí klesá výstupní napětí na nulu, jak je ukázáno na obr.5.2. Aby stabilizátor pracoval s normálním výstupním napětím U_o nepřipojuje se ovládací elektroda EN nikam, nebo se na ní připojuje logická jednička.

Uvedená zapojení podle obr.5.1 i 5.2 lze využít i pro pomalý náběh výstupního napětí a to tak, že u zapojení podle obr.5.1 zabezpečíme pomalý pokles vstupního napětí na svorce EN k zemi a naopak u zapojení na obr.5.2 pomalý růst tohoto napětí směrem od logické nuly k logické jedničce. Oba případy lze řešit jednoduše pomocí RC členů se snadno nastavitelnou časovou konstantou. Varianta pro PNP ovládací tranzistor T2 je na obr.5.3.

Po připojení vstupního napětí U,N sepne tranzistor T2 a začíná se pomalu zavírat až s růstem napětí na kondenzátoru, který se nabíjí jak přes tranzistor T2, tak přes vnější odpor R, kterým lze regulovat i rychlost nárůstu výstupního napětí.

Zapojení s tranzistorem PNP je například užito u obvodů fy LINEAR TECHNOLOGY, konkrétně u obvodů LT103 nebo LT1005. Naopak fa TEXAS INSTRUMENTS u svých obvodů typu TL750 a TL751 užívá tranzistorů NPN, takže zablokování výstupu zdroje nastává při logické jedničce na vstupu EN.

Podobně k blokování výstupního napětí logickou jedničkou na vstupu EN dochází u stabilizátorů typu ADM663 nebo ADM66 fy ANALOG DEVICES (firma tento vstup označuje jako SHDN = shutdown) vzhledem k tomu, že na místě tranzistoru TZ je užit tranzistor NMOS, který je spínán také kladným napětím na řídicí elektrodě proti zemi.

Pokud je užit na vstupu EN bipolární tranzistor, je nutno při aplikacích tohoto zapojení počítat i se vstupním proudem. Konkrétně to lze ilustrovat na

příkladu lineárního stabilizátoru LM1005M, jehož základní zapojení je na obr.5.4. Kromě standardních svorek, kterými jsou vstupní napětí U,N, výstupní napětí U_OUT a zem GND má tento obvod ještě dvě další svorky. Jednou z nich je popisovaný blokovací vstup EN a druhou pomocný výstup napětí + 5 [V], který není ovládán vstupem EN a lze z něj odebírat pouze proud o velikosti do 35 [mA]. Hlavní výstupní napětí je také + 5 [V] a možný odběr do 1 [A]. Vnitřní zapojení obvodu LTIOOSM samozřejmě není tak jednoduché, jak bylo naznačeno na obr.5.2. Tranzistor TZ je spolu s dalšími obvody zapojen tak, aby rozhodovací napětí vstupní elektrody EN odpovídalo rozhodovacímu napětí TTL logiky, které se pohybuje okolo 1,6 [V]. Vstupní charakteristika elektrody EN pak však není charakteristikou bipolárního tranzistoru, ale je dána grafem podle obr.5.5.

Rozhodovací úroveň 1,6 [V], při které vytéká ze vstupu ven proud cca 40 [pA] je na teplotě závislá obdobně jako propustné napětí PN přechodu, t.j. rozhodovací napětí s teplotou klesá rychlostí 2,2 [mV / K]. Vzhledem, že rozsah pracovních teplot se u tohoto obvodu pohybuje až do 150 [°C], klesne rozhodovací napětí při této teplotě na hodnotu okolo 1,4 [V]. Další důležitou charakteristikou blokovacího vstupu EN je rychlost odezvy hlavního výstupního napětí U_OUT na změnu napětí U_EN. Tato charakteristika se opět udává grafem, který pro stabilizátor LMIOOSM je uveden na obr.5.6.

Uvedená charakteristika platí pro teplotu 25 [°C]. Z grafu je patrné jednak zpoždění náběhu hlavního napětí U_OUT na plnou hodnotu 5 [V] oproti čelu impulsu EN zhruba o 2 [ms], ale také náběh tohoto napětí s překmitem přes hodnotu 5 [V]. Stejně tak dochází ke zpoždění při vypínání zdroje, kdy zpoždění je okolo 1 [ms].

… viz Napájecí zdroje Alexander Krejčiřík

Dále můžou být Nastavitelné stabilizátory, Stabilizátory s omezením proudu (vnějšími součástkami), stabilizátory typu 723 (MC1723(C) = MAA723)…výkonové stabilizátory…