Stabilizator

Stabilizator – układ elektroniczny, którego zadaniem jest utrzymywanie na wyjściu stałego napięcia (stabilizator napięcia) lub prądu (stabilizator prądu) niezależnie od obciążenia układu i wahań napięcia zasilającego. 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.

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

Stabilizatory liniowe

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

Początkowo stosowane były stabilizatory liniowe oparte na elementach dyskretnych. 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.

Stabilizatory liniowe można podzielić na cztery grupy:

• 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. 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. 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.

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

Parametry

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 U_out i jego tolerancja (maksymalnie 5%, ale zwykle mniej) .

• Maksymalny prąd wyjściowy I_out. Każdy stabilizator zawiera obwody ograniczające prąd do pewnej ustalonej wartości, zwykle z zakresu od 100 mA do 10 A. 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.

• Zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego od U_inmin do U_inmax.

• Minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem a wejściem stabilizatora, potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego (ang. dropout voltage), oznaczany U_DO. 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 U_DO. 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. Można przyjąć, że dla większości stabilizatorów napięcie U_DO wynosi 3 V.
  Istnieje też specjalny rodzaj stabilizatorów, oznaczanych w katalogach LDO (ang. Low Drop Out), które mogą pracować przy napięciu U_DO rzędu 0,2...1 V.

• Współczynnik stabilizacji napięciowej (ang. line regulation), który jest wyrażony jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany napięcia wejściowego: . 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: ^[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: , gdzie U_IO to różnica napięć między wejściem a wyjściem stabilizatora, a I_L 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.

• Sprawność energetyczna – stosunek mocy oddawanej do odbiornika do mocy pobieranej ze źródła zasilania. Sprawność jest wyrażana w procentach i określana wzorem:
  ^[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 U_IO 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 U_CE. 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].