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. 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

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

Zasilacz transformatorowy ze stabilizatorem liniowym. Na wejściu i wyjściu stabilizatora znajdują się kondensatory filtrujące napięcie wejściowe oraz przeciwdziałające wzbudzeniu się układu.

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: . 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 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:

[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 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.

Dioda Zenera (dioda stabilizacyjna) – odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza p-n. Po przekroczeniu napięcia przebicia ma miejsce nagły, gwałtowny wzrost prądu. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok. 5 V) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, w zakresie od 5 do 7 V zjawisko Zenera i przebicie lawinowe, a powyżej 7 V – wyłącznie przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia (dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną).

Różnice pomiędzy zwykłą diodą a stabilizującą

Należy podkreślić, że identycznie zachowuje się każda dioda półprzewodnikowa. Cechami, które pozwalają wydzielić diody Zenera jako oddzielną kategorię elementów, są:

przebicie niepowodujące uszkodzenia diody,

napięcie przebicia określone dokładnie, z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest, aby nie było mniejsze od zadanej wartości),

mała oporność dynamiczna,

zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu przebicia złącza (możliwe ostre "kolano" na charakterystyce I = f(U)).