plik


ÿþAKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. StanisBawa Staszica WydziaB Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki, Katedra Elektroniki Zasilacze i stabilizatory liniowe OpracowaB: Maciej Obszarny Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Spis tre[ci: 1. Wprowadzenie do zasilaczy prdu staBego.......................................3 1. 1. Podstawowe wiadomo[ci z elektrotechniki.................................................................... 3 2. Architektura zasilaczy ......................................................................5 2. 1. Dobór transformatora i bezpiecznika ............................................................................. 5 2. 1. 1. Uzyskanie symetrycznych napi zasilajcych...................................................... 6 2. 2. Podstawowe parametry i rodzaje prostowników wraz z zastosowaniami...................... 7 2. 3. Filtracja ttnieD............................................................................................................... 9 2. 3. 1. Filtr pojemno[ciowy z pojedynczym kondensatorem............................................ 9 2. 3. 2. Obwód filtrujcy RC ............................................................................................ 10 3. Scalone stabilizatory napicia i ich podstawowe aplikacje ............11 3. 1. Stabilizatory cigBe serii 78xx i 79xx........................................................................... 11 3. 2. Stabilizatory cigBe LM317 i LM337........................................................................... 12 3. 3. Stabilizatory cigBe typu LDO...................................................................................... 14 3. 4. Zabezpieczenia przeciwprzepiciowe stabilizatorów cigBych.................................... 16 4. Sygnalizatory napi i przepalonych bezpieczników .....................17 5. ChBodzenie zasilacza ......................................................................19 6. Bibliografia.....................................................................................21 Strona 2 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny 1. Wprowadzenie do zasilaczy prdu staBego Zasilacz jest jednym z podstawowych i zarazem najwa|niejszych komponentów urzdzenia elektrycznego. Zachowanie odpowiednich parametrów prdu i napicia zasilajcego jest nie- jednokrotnie kluczowym zagadnieniem na etapie projektowania precyzyjnych ukBadów ana- logowych lub pomiarowych. Mo|na powiedzie, |e technika cyfrowa nie narzuca a| tak wy- sokich obostrzeD, jednak bez wzgldu na to ka|dy elektronik powinien zna podstawowe za- gadnienia dotyczce tej tematyki. Niniejsze opracowanie ma na celu przedstawienie podstaw i zwrócenie uwagi na najistotniejsze zjawiska, z którymi mo|e spotka si ka|dy projektant urzdzeD elektrycznych. 1. 1. Podstawowe wiadomo[ci z elektrotechniki Zanim przedstawiona zostanie architektura i sposoby konstrukcji prostych zasilaczy zostan wprowadzone podstawowe pojcia, z którymi czytelnik spotka si w dalszych cz[ciach ni- niejszego opracowania. Napicie przemienne to napicie bez skBadowej staBej, rys. 1.1. Rys. 1.1. Przebieg sinusoidalny i jego parametry. yródBo: [1]. Warto[ skuteczna Usk (z ang. RMS  Root Mean Square [warto[ [redniokwadratowa]) jest tak warto[ci napicia staBego, która w cigu czasu równego okresowi prdu przemien- nego spowoduje wydzielenie takiej samej ilo[ci ciepBa, co dany sygnaB prdu przemiennego. Analogiczn definicj stosuje si do prdu. Dla dowolnego przebiegu okresowego warto[ skuteczn Usk mo|na obliczy z zale|no[ci (1.1): T 1 2 U = sk +"u dt , (1.1) T 0 Strona 3 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny która w przypadku napicia sinusoidalnego upraszcza si do wzoru (1.2): U p U = , (1.2) sk 2 gdzie Up to warto[ szczytowa napicia, czyli maksymalna warto[ (amplituda) napicia wzgldem potencjaBu odniesienia (przewa|nie 0V) w danym przedziale czasowym. Warto[ midzyszczytowa Upp jest to ró|nica pomidzy dwoma warto[ciami szczytowymi. Napicie zmienne w polskiej sieci energetycznej ma ksztaBt sinusoidy o czstotliwo[ci 50Hz i warto[ci skutecznej 230V (+/- 10%). WspóBczynnik ttnieD to stosunek warto[ci skutecznej skBadowej zmiennej napicia do jego warto[ci [redniej (1.3): U zm “ = (1.3). UO Podczas konstruowania, obsBugi lub naprawy ukBadów zasilaczy nale|y zachowa wszelkie zasady bezpieczeDstwa pamitajc, |e  bezpiecznym napiciem staBym s 24V, a zmien- nym 48V. Oprócz tego nale|y mie na uwadze, i| wszelkiego rodzaju obra|enia powodo- wane s przepBywem prdu przez organizm, a nie stricte wysoko[ci napicia, z którym mamy do czynienia. Z pomoc w wyja[nieniu przychodzi tutaj prawo Ohma (I=U/R). W zwizku z powy|szym istnieje realne zagro|enie pora|enia prdem przy pracy z  bezpiecz- nymi napiciami, ale za to z du| wydajno[ci prdow. Swoje szanse na odniesienie obra- |eD zwikszamy podczas pracy w wilgotnym i sBonym [rodowisku (np. pot na dBoniach) lub gdy mamy uszkodzony naskórek (skóra ludzka ma rezystancj o warto[ci 1-20k ©, natomiast tkanki tylko 50©). Dla zobrazowania powagi problemu przedstawiono list skutków przepBy- wu prdu przez organizm w funkcji jego warto[ci: " 1  5mA  poziom odczuwania, " 10mA  poziom bólu, " 100mA  powa|ny skurcz mi[ni, " 100  300mA  pora|enie [miertelne. Strona 4 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny 2. Architektura zasilaczy Ka|dy zasilacz skBada si z kilku podstawowych bloków (rys. 2.1): yródBo energii Transformator Bezpiecznik (opcja) (opcja) Prostownik Filtr ttnieD Stabilizator Wyj[cie (opcja) (opcja) Rys. 2.1. Typowa architektura prostego zasilacza. W przedstawionym przykBadzie zródBem energii mo|e by sie energetyczna, bateria, akumu- lator, ogniwo itp.[1]. W zale|no[ci od wymogów projektowych w zasilaczach mo|emy spo- tka równie| transformatory, prostowniki, filtry ttnieD lub inne moduBy. Natomiast praktycz- nie zawsze wystpuje ukBad stabilizatora napicia/prdu wyj[ciowego. W dalszej cz[ci tego rozdziaBu omówione zostan od strony praktycznej zagadnienia zwiza- ne z doborem odpowiedniego transformatora, prostownika i filtra ttnieD. Wszelkiego rodzaju aspekty teoretyczne zwizane z w/w elementami omówione zostaBy w pracach [2,3]. 2. 1. Dobór transformatora i bezpiecznika Jednym z pierwszych kroków na drodze do zaprojektowania wBasnego zasilacza jest okre[le- nie zródBa, z którego bdziemy pobiera energi. Nastpnie nale|y zdecydowa czy jest po- trzebny transformator, a je[li tak, to jakiego rodzaju. Transformator to element bierny sBu|cy do zamiany przemiennych napi i prdów wej[cio- wych na przemienne napicia i prdy wyj[ciowe o z reguBy innej warto[ci. Zamiana ta doko- nuje si za po[rednictwem pola magnetycznego i przy speBnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat). Oznacza to, |e dysponujc okre[lon moc na wej[ciu nie mo|emy uzyska wikszej mocy na wyj[ciu. Podstawowymi parametrami transformatora s moc pozorna (wyra|ana w VA) i przekBadnia, która definiuje stosunek napi i prdów po stronie pierwotnej (wej[ciowej) i wtórnej (wyj[ciowej) (2.1): U Iw p n = = (2.1), U I w p gdzie Up i Ip to przebiegi po stronie pierwotnej, a Uw i Iw to przebiegi po stronie wtórnej. Na- le|y pamita, |e producent podaje napicia po stronie pierwotnej i wtórnej wyra|one w warto[ciach skutecznych. Je[li zapadBa decyzja o zastosowaniu transformatora nale|y skupi si na wyborze rodzaju i odpowiednich parametrów  mo|e to by zwykBy transformator sieciowy, toroidalny, pod- Strona 5 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny wy|szajcy napicie, obni|ajcy napicie itp. [2]. Dla projektanta prostych zasilaczy najistot- niejszymi parametrami s napicie po stronie pierwotnej i wtórnej oraz wydajno[ prdowa. Napicie po stronie wtórnej nale|y dobiera tak, aby byBo co najmniej równe po|danemu poziomowi napicia wyj[ciowego zasilacza (ta zale|no[ jest jeszcze modyfikowana przez ukBady prostownika i filtra ttnieD, patrz rozdziaB 2.2 i 2.3). W przypadku wydajno[ci prdo- wej zasada jest nieco prostsza  nale|y dba o to, aby maksymalna wydajno[ prdowa byBa przynajmniej 1,5 raza wiksza od zakBadanego obci|enia. Takie rozwizanie zapo- biegnie ew. przegrzaniu i spaleniu transformatora. Oprócz tego warto zabezpieczy si przed spaleniem transformatora umieszczajc po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtórnej przewa|nie istnieje inne zabezpieczenie). Jego warto[ mo|emy obliczy ze wzoru (2.1) znajc prd obci|enia i mno|c wynik przez kilku- krotny margines (przynajmniej 2-3x). Przewa|nie stosuje si bezpieczniki zwBoczne [2]. Wbrew pozorom kolejno[ pozycjonowania bezpiecznika jest istotna  zaleca si umieszcza- nie zabezpieczenia przed gBównym wyBcznikiem ze wzgldu na to, i| istnieje ryzyko wyst- pienia przebicia pomidzy zerem, a faz w obwodzie przeBcznika (dotyczy to urzdzeD prze- Bczajcych jednocze[nie dwa bieguny zasilajce). W takiej sytuacji bezpiecznik w ogóle nie zadziaBa, przez co mo|e doj[ do po|aru wynikajcego z przepalenia instalacji elektrycznej. Poprawn i niepoprawn konfiguracj poBczeD przedstawiono na rys. 2.1. Rys. 2.1. PrawidBowe i nieprawidBowe podBczenie bezpiecznika w obwodzie pierwotnym transformatora. 2. 1. 1. Uzyskanie symetrycznych napi zasilajcych Je[li chcemy uzyska pojedyncze napicie zasilajce, tj. mas i po|dany poziom wyj[ciowy Vout, to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtórnym bez odczepu (taki, jak pokazany na rys. 2.1). W przypadku, gdy istnieje potrzeba uzyskania napicia dodatniego i ujemnego wzgldem masy (w szczególnym wypadku na napiciu symetrycznym) nale|y zastosowa transformator z jednym uzwojeniem wtórnym i odczepem (rys. 2.2a) lub kilkoma uzwojeniami wtórnymi, poBczonymi w sposób pokazany na rys. 2.2b, aby utworzy wzeB stanowicy mas. Strona 6 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Rys. 2.2. Metody uzyskania napi dodatnich i ujemnych wzgldem masy z wykorzystaniem mostka Greatza. Istnieje równie| inny sposób uzyskania symetrycznego napicia bez konieczno[ci u|ycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtórnymi. Rysunek 2.3 przedstawia aplikacj z prostownikiem jednopoBówkowym, jednak ze wzgldu na nisk efektywno[ takie rozwizanie nie jest stosowane. Oprócz tego nale|y pamita, |e w takiej konstrukcji absolut- nie niezbdnym elementem jest filtr ttnieD (choby w postaci samych kondensatorów, tak jak na rys. 2.3). Wicej informacji na ten temat znajduje si w rozdziale 2.3. Rys. 2.3. Alternatywna metoda uzyskania symetrycznego napicia. 2. 2. Podstawowe parametry i rodzaje prostowników wraz z zastosowaniami Dla projektanta zasilacza najwa|niejszymi parametrami prostowników s maksymalny prd przewodzenia i maksymalne napicie wsteczne. W przypadku tego pierwszego istnieje za- sada, |e mostek powinien przepu[ci prd przynajmniej 1,5x wikszy od zakBadanego ob- ci|enia. Strona 7 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Problem doboru maksymalnego napicia wstecznego prostownika wi|e si z zastosowanym filtrem ttnieD (rys. 2.4). Rys. 2.4. Ilustracja problemu doboru napicia wstecznego prostownika. Najcz[ciej w roli filtra ttnieD wystpuje kondensator elektrolityczny o du|ej pojemno[ci. W czasie poBowy okresu napicia wtórnego, w której amplituda jest dodatnia, napicie na dio- dzie D3 jest bliskie zeru. Jednak w trakcie trwania drugiej poBowy, kiedy amplituda jest ujemna, na diodzie odkBada si napicie równe dwóm warto[ciom szczytowym napicia wtór- nego (rys. 2.4). Z tego powodu napicie rewersyjne powinno by przynajmniej 2,83x wiksze od warto[ci skutecznej napicia po stronie wtórnej (przewa|nie stosuje si przelicznik 3,4x). W przypadku braku filtra ttnieD stosuje si zwykBe 20% margines bezpieczeDstwa, tj. napi- cie rewersyjne powinno by przynajmniej 1,7x wiksze od warto[ci skutecznej napicia po stronie wtórnej. Ostatni wa|n rzecz, o której nale|y pamita, jest wystpowanie pewnego spadku napicia na prostowniku, co powoduje, i| na wyj[ciu mamy troch ni|szy potencjaB ni| ten uzyskiwany przez uzwojenie wtórne transformatora. Przyczyna tego zjawiska wi|e si z wystpowaniem spadku napicia na diodzie przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Tabela 2.1 zawiera parametry typowych mostków prostowniczych. Symbol VRRM [V] VRMS [V] VDC [V] I(AV) [A] VF [V] Obudowa DB107 1000 700 1000 1 1,1 DIL-4 2KBP01 100 - - 2 1 D-44 2KBP10 1000 - - 2 1 D-44 KBPC110 1000 - - 3 1,1 D-46 KBPC610 1000 - - 6 1,2 D-46 Tab. 2.1. Parametry popularnych mostków prostowniczych. VRRM  maksymalne powtarzalne napicie wsteczne VRMS  maksymalne skuteczne napicie wej[ciowe VDC  maksymalne staBe napicie wsteczne I(AV)  maksymalny [redni prd przewodzenia VF  napicie przewodzenia Strona 8 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny 2. 3. Filtracja ttnieD KsztaBt napicia na wyj[ciu prostownika jedno lub dwupoBówkowego jest daleki od idealnej, poziomej linii (rys. 2.5a i b). Aby wyeliminowa t niedogodno[, co ma podstawowe zna- czenie w ukBadach akustycznych i pomiarowych, stosuje si ró|nego rodzaju filtry ttnieD. W niniejszym opracowaniu przedstawione zostan dwa najprostsze: filtr pojemno[ciowy z poje- dynczym kondensatorem oraz filtr RC. PozostaBe stosowane ukBady s szerzej opisane w [1]. Rys. 2.5. Przebiegi wystpujce w zasilaczu. yródBo: [1] 2. 3. 1. Filtr pojemno[ciowy z pojedynczym kondensatorem Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio du|ej warto[ci zaraz za pro- stownikiem (rys. 5a) mo|e znacznie zredukowa ttnienia i przybli|y przebieg napicia do postaci z rysunku 6c. Odpowiedni warto[ pojemno[ci mo|emy obliczy z gotowego wzoru (2.2) zakBadajc po|dany wspóBczynnik ttnieD (zawsze poni|ej 10%): 1000000 C[¼F] = (2.2), 2 3 f [Hz]“RL[©] gdzie: " f to czstotliwo[ ttnieD (50Hz dla prostownika dwupoBówkowego i 100Hz dla jed- nopoBówkowego), " “ to zakBadany wspóBczynnik ttnieD, " RL to warto[ rezystancji obci|enia: RL=UO/IO. Strona 9 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Istnieje równie| bardziej praktyczna reguBa, która mówi, i| na ka|dy 1A prdu obci|enia nale|y stosowa kondensator o pojemno[ci co najmniej 1000¼F. Wa|nym krokiem jest dobór maksymalnego napicia roboczego kondensatora. Minimalny margines to 20% odchyBu od amplitudy napicia, czyli 1,7x warto[ci skutecznej. 2. 3. 2. Obwód filtrujcy RC Istniej urzdzenia o szczególnej wra|liwo[ci na wszelkiego rodzaju zakBócenia w napiciu zasilajcym. W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest czsto niewy- starczajce (ze wzgldu na konieczno[ u|ycia ogromnej pojemno[ci), przez co konstruktorzy decyduj si na inne rozwizania. Jednym z nich jest prosty obwód filtrujcy RC przedsta- wiony na rys. 2.6. Rys. 2.6. Prosty filtr RC. Zapewnia on dalsz redukcj wspóBczynnika ttnieD, jednak odbywa si to kosztem zwik- szenia rezystancji szeregowej o warto[ R1, co ogranicza stosowanie tego ukBadu do urzdzeD o niskim i staBym poborze prdu (przedwzmacniacze akustyczne itp.). Warto[ci elementów nale|y dobra korzystajc ze wzorów: 1,44 *10-5 “ = (2.3) dla prostownika jednopoBówkowego, C1C2R1RL 3,6 *10-6 “ = (2.4) dla prostownika dwupoBówkowego. C1C2R1RL Tabela 2.2 zawiera wzory na napicia wyj[ciowe wy|ej wymienionych filtrów: Rodzaj filtra Prostownik jednopoBówkowy Prostownik dwupoBówkowy Pojedynczy kondensator IO IO UO = U - UO = U - p p 100C 200C UkBad C-R-C 1 1 UO = U - IO ( + R1) UO = U - IO ( + R1) p p 100C1 200C1 Tab. 2.2. Napicia wyj[ciowe dla poszczególnych filtrów. Strona 10 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny 3. Scalone stabilizatory napicia i ich podstawowe aplikacje W nowoczesnych zasilaczach stosowane s praktycznie tylko scalone stabilizatory napicia i z tego powodu niniejszy artykuB koncentruje si na najbardziej popularnych ukBadach. W dal- szej cz[ci omówione zostan stabilizatory serii 78/79xx, LM317/337 oraz ukBady LDO wraz z ich podstawowymi aplikacjami. 3. 1. Stabilizatory cigBe serii 78xx i 79xx S to najprostsze trójkoDcówkowe stabilizatory o ustalonym napiciu wyj[ciowym okre[lo- nym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05, 08, 10, 12, 15, 24). UkBady o numerach 78xx sBu| do stabilizacji napi dodatnich wzgldem masy, a 79xx do ujemnych. Typowa aplikacja tych stabilizatorów przedstawiona jest na rys. 3.1: Rys. 3.1. Typowa aplikacja stabilizatorów 78xx i 79xx. Kondensatory C2 i C3 sBu| do zwierania wysokoczstotliwo[ciowych zakBóceD i s standar- dem w aplikacjach stabilizatorów. Nale|y je umieszcza jak najbli|ej wyprowadzeD ukBadu (w sensie fizycznym, a nie topologicznym na schemacie). Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napiciu wyj[ciowemu  taka sytuacja mo|e mie miejsce zaraz po wyBczeniu zasilania. Wtedy dioda zaczyna przewodzi i odprowadza  wsteczny prd z koDcówki stabilizatora. Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmian polaryzacji napicia na wyj[ciu stabiliza- tora. Do takiej sytuacji mo|e doj[, gdy stabilizator zasila elementy pracujce z bipolarnym napiciem zasilajcym - podczas zwarcia lub uruchamiania urzdzenia mo|e doj[ do zmiany polaryzacji napicia na wyj[ciu stabilizatora (por. [5]). Rola poszczególnych elementów obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx. Strona 11 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Oprócz tych zewntrznych zabezpieczeD stabilizatory posiadaj wbudowane ukBady zabez- pieczajce przed zwarciem na wyj[ciu oraz przegrzaniem. Ich podstawow wad jest konieczno[ zapewnienia ró|nicy potencjaBów pomidzy wej[ciem a wyj[ciem wynoszc co najmniej 3V. Przy braku speBnienia tego warunku element nie bdzie dziaBaB. Maksymalna wydajno[ prdowa w zale|no[ci od obudowy mo|e wynie[ do 1,5A. 3. 2. Stabilizatory cigBe LM317 i LM337 Stabilizatory cigBe LM317 i LM337 to podstawowe ukBady o regulowanym napiciu wyj- [ciowym odpowiednio dodatnim i ujemnym wzgldem masy. Jest to praktycznie jedyna istot- na ró|nica pomidzy staBymi elementami typu 78xx i 79xx. Typowe aplikacje tych ukBadów przedstawia rys. 3.2. Rys. 3.2. Podstawowa aplikacja ukBadów LM317 i LM337. Regulacj napicia wyj[ciowego uzyskuje si za pomoc zródBa referencyjnego 1,25V (po- midzy koDcówk Adjust i Output) i dzielnika napicia zBo|onego z rezystorów R1 i R2. Wzór na VOUT (3.1) dla ukBadu LM317 jest Batwy do wyprowadzenia: R2 VOUT = 1,25V (1+ ) + I R2 , (3.1) R1 ADJ gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje si 240©, a IADJ jest pomijalnie maBe. Analogiczna zasada dziaBania obowizuje dla ukBadu LM337: R4 -VOUT = 1,25V (1+ ) + I R4 , (3.2). R3 ADJ Strona 12 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Rysunek 3.3 przedstawia aplikacj stabilizatorów LM317 i LM337 z redukcj wspóBczynnika ttnieD i zastosowaniem diod zabezpieczajcych. Rys. 3.3. Bardziej zaawansowana aplikacja ukBadów LM317 i LM 337. Rol kondensatorów C1-C6 oraz diod D1 i D3 opisano w rozdziale 3.1. W innym miejscu pojawiBa si dioda D2 (por. rys. 3.1)  jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie zródBa referencyjnego o warto[ci 1,25V. Jej podstawow funkcj jest odprowa- dzanie prdów rozBadowania kondensatora C7, natomiast sam element pojemno[ciowy sBu|y do redukcji zakBóceD w napiciu wyj[ciowym. Zabezpieczenia wewntrzne s takie same, jak w przypadku stabilizatorów 78xx/79xx - pro- tekcja termiczna i przeciwzwarciowa. Równie| minimalna ró|nica potencjaBów pomidzy wej[ciem, a wyj[ciem wynosi 3V. Strona 13 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny 3. 3. Stabilizatory cigBe typu LDO W ukBadach 78/79xx oraz LM317/337 napicie pomidzy wej[ciem, a wyj[ciem (tzw. Dropo- ut Voltage) musi wynosi co najmniej 3V. Poni|ej tej warto[ci stabilizator w ogóle nie za- dziaBa, co jest podstawow wad tych elementów  ze wzgldu na straty mocy nie nadaj si do zastosowania we wspóBczesnych urzdzeniach zasilanych bateryjnie. Tymczasem ukBady LDO (Low Dropout Voltage, rys. 3.4) umo|liwiaj spadek tego potencjaBu nawet do kilku- dziesiciu miliwoltów (np. MAX8563  56mV). Rys. 3.4. Typowa aplikacja stabilizatora LDO. yródBo: [4] Jest to mo|liwe dziki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczajcego prd, który po przekroczeniu minimalnej warto[ci Dropout Voltage staje si rezystorem o warto[ci RDSON i przepuszcza napicie wej[ciowe na wyj[cie (rys. 3.5) z uwzgldnieniem spadku na RDSON (URDSON=IO*RDSON). Dziki temu nie musimy dba o odpowiedni wyso- ko[ potencjaBu wej[ciowego i jednocze[nie obawia si strat mocy. Ta zaleta bezpo[rednio wskazuje potencjalne zastosowanie  zasilacze bazujce na bateriach, akumulatorach itp. Rys. 3.5. Charakterystyka pracy stabilizatorów LDO. yródBo: [4]. Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem dro|szych) programowalnych stabilizatorów LDO jest ukBad MAX667. Dostpny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujcych wej[ i wyj[ sterujcych, takich jak opcja wyBczenia, sygnalizacji zu|ycia baterii i wyboru napicia wyj[ciowego z zakresu 3,5-16,5V. Rysunek 3.6 przedstawia przykBadow aplikacj tego sta- bilizatora. Strona 14 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Rys. 3.6. PrzykBadowa aplikacja ukBadu MAX667. yródBo: [6]. Regulacj napicia wyj[ciowego uzyskuje si podBczajc dzielnik rezystorowy (R1, R2 na rys. 3.6) do pinu SET, którego potencjaB ustalony jest na poziomie 1,22 V. Napicie wyj[cio- we wyra|a si wzorem: R1 + R2 VOUT = VSET (3.3). R1 Ze wzgldu na niski pobór prdu wej[cia SET (ok. 10nA) warto[ci rezystorów mog by znaczne - typowo R1 wynosi 1M©. Gdy SET zostanie podBczone bezpo[rednio do masy, to napicie wyj[ciowe ustali si na poziomie 5V. Stabilizator MAX667 mo|e zosta wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej- [cie SHDN napicia wikszego ni| 1,5V. W tym trybie wyj[cie OUT jest odBczone i pobór prdu ukBadu spada poni|ej 1¼A. Bardzo u|yteczn funkcj jest detekcja niskiego poziomu naBadowania baterii. Je[li napicie na wej[ciu LBI spadnie poni|ej warto[ci referencyjnej 1,22V, to tranzystor FET na rys. 3.6 zostanie wBczony i zewrze wyj[cie LBO do masy. Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umo|liwia regulacj poziomu napicia odniesienia zgodnie ze wzorem: R3 + R4 Vodn. = VLBI (3.4). R4 Podobnie jak dla wej[cia SET, niski prd wej[ciowy LBI (ok. 10nA) umo|liwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4. Ostatnim wa|nym wyprowadzeniem jest wyj[cie DD (pin nr 1). KoDcówka ta poBczona jest z otwartym kolektorem wewntrznego tranzystora PNP i zwizana z funkcj detektora spadku napicia Dropout Voltage (por [6]). Gdy ró|nica potencjaBów pomidzy wej[ciem, a wyj[ciem spada poni|ej 300mV (co jest równoznaczne z koDcem czasu |ycia baterii), to tranzystor PNP zaczyna przewodzi. PodBczenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o warto[ci ok. 100k© do masy umo|liwia monitorowanie napicia Dropout Voltage przez zewntrzne obwody. Rysunek 3.7 przedstawia inne zastosowanie wyj[cia DD. Strona 15 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Rys. 3.7. PrzykBadowe zastosowanie wyj[cia Dropout Detector. yródBo: [6]. Zasada dziaBania powy|szego obwodu jest nastpujca: spadek Dropout Voltage (np. na sku- tek rozBadowania baterii) spowoduje odpowiednio obni|enie potencjaBu VSET i napicia wyj- [ciowego VOUT. Jest to konieczne, poniewa| w przypadku, gdy ustalone VOUT zaczyna by wiksze od VIN, to stabilizator pobiera prd dochodzcy do 10mA  jest to konsekwencja wewntrznej konstrukcji ukBadu (por. [6]). Rozwizanie z rysunku 3.7 zapobiega nadmierne- mu wzrostowi pobieranego prdu i umo|liwia wykorzystanie baterii do granic mo|liwo[ci. PozostaBe konfiguracje pracy opisane s w karcie katalogowej stabilizatora [6]. 3. 4. Zabezpieczenia przeciwprzepiciowe stabilizatorów ci- gBych Napicie wej[ciowe stabilizatora jest zawsze wy|sze od napicia wyj[ciowego. Gdyby doszBo do przepicia, tj. przyBo|enia potencjaBu z wej[cia na wyj[cie, mogBoby doj[ do uszkodzenia zasilanego urzdzenia (takie sytuacje zdarzaj si, gdy np. spalimy stabilizator). Aby unikn powa|nych konsekwencji stosuje si moduBy zabezpieczajce podBczone do wyj[cia stabili- zatora. Jednym z prostych obwodów przeciwprzepiciowych jest ukBad z diod Zenera i tyrystorem (rys. 3.8). Gdy napicie wej[ciowe przekroczy napicie Zenera, dojdzie do zaBczenia (zwar- cia) tyrystora, co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1. Strona 16 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Rys. 3.8. Prosty ukBad zabezpieczajcy przed przepiciami. 4. Sygnalizatory napi i przepalonych bezpieczników W projektowanych urzdzeniach warto zastosowa sygnalizatory napi wyj[ciowych i prze- palonych bezpieczników, poniewa| w przypadku wystpienia awarii potrafi szybko wskaza lub wyeliminowa przyczyn ze strony obwodu zasilajcego. Typowy ukBad wskaznika napicia wyj[ciowego przedstawia rysunek 4.1. Rys. 4.1. Wskaznik napicia z diod LED. Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 poBczona szeregowo z rezystorem ograni- czajcym prd R1. Warto[ rezystora nale|y dobra tak, aby przy znanym napiciu zasilaj- cym UO i napiciu przewodzenia diody UD przepBywaB przez ni prd ID z zakresu 10-15mA (dokBadne warto[ci znajduj si w kartach katalogowych producenta diody). Odpowiedni wzór opisujcy te zale|no[ci mo|na wyprowadzi za pomoc napiciowego prawa Kirchoffa: UO -U D R1 = (4.1). ID W przypadku zasilaczy wysokonapiciowych sygnalizatorem s lampki neonowe, których napicie pracy przekracza 67V (w zale|no[ci od typu). Schemat obwodu i sposób wyznacza- nia warto[ci rezystora R1 jest taki sam, jak w przypadku wskaznika z diod LED. Rysunek 4.2 przedstawia obwody sygnalizatorów przepalonych bezpieczników dla napicia zmiennego (4.2a) i staBego (4.2b). Gdy bezpiecznik nie jest przepalony, zwiera obwód lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie [wieci si. Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystpi ró|nica potencjaBów, o czym poinformuje zastosowany wskaznik. Strona 17 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Rys. 4.2. Sygnalizacja przepalonego bezpiecznika w obwodzie prdu zmiennego (a) i prdu staBego (b). W obwodzie z rysunku 4.2b zastosowano rezystor R3, aby zapewni kontakt z mas w przy- padku, gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu. W takiej konfiguracji wzór 4.1 musi ulec przeksztaBceniu do postaci: UO -U D R2 + R3 = (4.2), ID przy czym obliczona rezystancja powinna by podzielona na poBow pomidzy rezystory R2 i R3. Podczas dobierania warto[ci rezystorów nale|y zwróci uwag na fakt, |e zbyt niska re- zystancja R3 spowoduje wystpienie du|ego poboru prdu ze zródBa zasilajcego. Dla obwodu z rysunku 4.2a przy dobieraniu rezystancji obowizuje wzór 4.1. Strona 18 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny 5. ChBodzenie zasilacza Nadmierna temperatura jest jedn z gBównych przyczyn uszkodzeD elementów elektronicz- nych. Praktyka wskazuje, |e zwikszenie temperatury pracy urzdzenia o 10oC powoduje skrócenie [redniego czasu midzyawaryjnego (MTBF) o poBow. W urzdzeniach o wysokiej wydajno[ci prdowej i o du|ym poborze mocy musz by stosowane systemy chBodzenia, aby nie przekroczy dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementów. Istniej trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urzdzeD: 1. zastosowanie/poprawienie naturalnej wentylacji, 2. rozproszenie wikszej ilo[ci ciepBa za pomoc radiatorów, 3. zastosowanie aktywnego systemu chBodzenia powietrzem lub wod. W ramach pierwszej metody nale|y dba o to, aby obudowa urzdzenia posiadaBa wystarcza- jc ilo[ otworów wentylacyjnych. Istotne jest równie| rozmieszczenie wydzielajcych cie- pBo elementów na pBytce PCB  wokóB wzmacniaczy i stabilizatorów nale|y zostawi troch wolnego miejsca celem zamontowania radiatora oraz usprawnienia obiegu powietrza. W przy- padku zastosowania metalowej obudowy korzystnie jest umie[ci aktywny element na kraw- dzi pBytki i przykrcajc go do obudowy wykorzysta du| powierzchni do odprowadzenia ciepBa. Diody i rezystory mocy powinny by zamontowane powy|ej powierzchni pBytki dru- kowanej, jak na rys. 5.1. Rys. 5.1. PrawidBowy sposób monta|u diod i rezystorów mocy. yródBo: [1]. Kiedy naturalny obieg powietrza jest niewystarczajcy, nale|y zamontowa radiatory na grze- jce si elementy. W zasilaczach najbardziej podatne na uszkodzenie termiczne s stabilizato- ry napicia lub tranzystory kluczujce (zasilacze impulsowe). W typowych aplikacjach stosu- je si elementy w obudowie TO-220 i dla bezpieczeDstwa zawsze warto zastosowa radiator. Dla mocy do ok. 10W lub prdów wypBywajcych do 1,5A (w przypadku stabilizatorów) wy- starczy zastosowa maBy radiator z wygitej blachy, rys. 5.2. Wiksze moce wymagaj zasto- sowania u|ebrowanych radiatorów o du|ych gabarytach. Strona 19 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny Rys. 5.2. Popularne radiatory dla obudowy TO-220. yródBo: [1]. Istotny jest sposób zamocowania radiatora  obudow elementu nale|y posmarowa past termoprzewodzc i dobrze dokrci [rub monta|ow. W przypadku, gdy kilka elementów korzysta z jednego radiatora, pomidzy obudowy i radiator nale|y wBo|y izolacyjne pod- kBadki mikowe  zazwyczaj obudowa poBczona jest z jednym z wyprowadzeD ukBadu i takie rozwizanie zapobiega zwarciom lub przedostaniu si du|ych potencjaBów na radiator. UkBady o du|ym poborze mocy wymagaj stosowania aktywnych systemów chBodzenia. Naj- cz[ciej wykorzystuje si chBodzenie powietrzem wymuszajc jego obieg za pomoc jednego lub kilku wentylatorów. Oprócz tego istotne jest zachowanie wBa[ciwego kierunku przepBywu powietrza wzgldem radiatorów, rys. 5.3. W przypadku, gdy konieczne jest wykorzystanie zespoBu wentylatorów, warto podzieli je na dwie grupy, z których jedna wtBacza powietrze, a drug odprowadza je z obudowy. Rys. 5.3. WBa[ciwy kierunek przepBywu powietrza chBodzcego. yródBo: [1]. Strona 20 z 21 Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny 6. Bibliografia [1]  Zasilacze urzdzeD elektronicznych. Przewodnik dla pocztkujcych. Joseph J. Carr, wydawnictwo BTC, Warszawa 2004 r. [2]  UkBady RLC i transformatory , Marcin Mdrzyk, AGH Kraków 2006 r. [3]  Elementy póBprzewodnikowe , Robert Lasko, AGH Kraków 2006 r. [4] http://focus.ti.com/lit/an/slva079/slva079.pdf [5] http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ua7805.pdf [6] http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX667.pdf Strona 21 z 21

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Elektronika Dla Wszystkich podręczny poradnik elekteronika stabilizatory liniowe 2
L5 Badanie stabilności liniowego układu 3 rzędu z opóźnieniem Wpływ wartości opóźnienia na stabi
Stabilizatory liniowe,
Stabilizatory liniowe, cz 2
Stabilizatory liniowe 2c cz 2
13 Zasilacze stabilizatory
Zasilacz stabilizowany 0 30 V
Cw Zasilacz stabilizowany
Stabilizatory liniowe
Zasilacz Stabilizowany 13,8 V 20A , na bazie Zasilacza z komputera
07 Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowania
Zasilacz stabilizowany
zasilanie i stabilizacja pkt pracy

więcej podobnych podstron