��AKADEMIA G�RNICZO-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. Dob�r transformatora i bezpiecznika ............................................................................. 5
2. 1. 1. Uzyskanie symetrycznych napi zasilajcych...................................................... 6
2. 2. Podstawowe parametry i rodzaje prostownik�w wraz z zastosowaniami...................... 7
2. 3. Filtracja ttnieD............................................................................................................... 9
2. 3. 1. Filtr pojemno[ciowy z pojedynczym kondensatorem............................................ 9
2. 3. 2. Obw�d 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 stabilizator�w cigBych.................................... 16
4. Sygnalizatory napi i przepalonych bezpiecznik�w .....................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 komponent�w urzdzenia
elektrycznego. Zachowanie odpowiednich parametr�w prdu i napicia zasilajcego jest nie-
jednokrotnie kluczowym zagadnieniem na etapie projektowania precyzyjnych ukBad�w 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
zwr�cenie uwagi na najistotniejsze zjawiska, z kt�rymi 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 kt�rymi 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. yr�dBo: [1].
Warto[ skuteczna Usk (z ang. RMS Root Mean Square [warto[ [redniokwadratowa])
jest tak warto[ci napicia staBego, kt�ra w cigu czasu r�wnego 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
kt�ra 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 r�|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%).
Wsp�Bczynnik 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 ukBad�w zasilaczy nale|y zachowa wszelkie
zasady bezpieczeDstwa pamitajc, |e bezpiecznym napiciem staBym s 24V, a zmien-
nym 48V. Opr�cz 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 kt�rym
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 nask�rek (sk�ra ludzka ma rezystancj o warto[ci 1-20k �, natomiast
tkanki tylko 50�). Dla zobrazowania powagi problemu przedstawiono list skutk�w przepBy-
wu prdu przez organizm w funkcji jego warto[ci:
" 1 5mA poziom odczuwania,
" 10mA poziom b�lu,
" 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 blok�w (rys. 2.1):
yr�dBo energii Transformator
Bezpiecznik
(opcja)
(opcja)
Prostownik Filtr ttnieD Stabilizator Wyj[cie
(opcja) (opcja)
Rys. 2.1. Typowa architektura prostego zasilacza.
W przedstawionym przykBadzie zr�dBem energii mo|e by sie energetyczna, bateria, akumu-
lator, ogniwo itp.[1]. W zale|no[ci od wymog�w projektowych w zasilaczach mo|emy spo-
tka r�wnie| transformatory, prostowniki, filtry ttnieD lub inne moduBy. Natomiast praktycz-
nie zawsze wystpuje ukBad stabilizatora napicia/prdu wyj[ciowego.
W dalszej cz[ci tego rozdziaBu om�wione zostan od strony praktycznej zagadnienia zwiza-
ne z doborem odpowiedniego transformatora, prostownika i filtra ttnieD. Wszelkiego rodzaju
aspekty teoretyczne zwizane z w/w elementami om�wione zostaBy w pracach [2,3].
2. 1. Dob�r transformatora i bezpiecznika
Jednym z pierwszych krok�w na drodze do zaprojektowania wBasnego zasilacza jest okre[le-
nie zr�dBa, z kt�rego 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 prd�w 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, kt�ra definiuje stosunek napi i prd�w po
stronie pierwotnej (wej[ciowej) i wt�rnej (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 wt�rnej. Na-
le|y pamita, |e producent podaje napicia po stronie pierwotnej i wt�rnej wyra|one w
warto[ciach skutecznych.
Je[li zapadBa decyzja o zastosowaniu transformatora nale|y skupi si na wyborze rodzaju i
odpowiednich parametr�w 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 wt�rnej oraz wydajno[ prdowa.
Napicie po stronie wt�rnej nale|y dobiera tak, aby byBo co najmniej r�wne 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.
Opr�cz tego warto zabezpieczy si przed spaleniem transformatora umieszczajc po stronie
pierwotnej bezpiecznik (po stronie wt�rnej 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 gB�wnym 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 og�le 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 wt�rnym bez odczepu (taki,
jak pokazany na rys. 2.1).
W przypadku, gdy istnieje potrzeba uzyskania napicia dodatniego i ujemnego wzgldem
masy (w szczeg�lnym wypadku na napiciu symetrycznym) nale|y zastosowa transformator
z jednym uzwojeniem wt�rnym i odczepem (rys. 2.2a) lub kilkoma uzwojeniami wt�rnymi,
poBczonymi w spos�b 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 r�wnie| inny spos�b uzyskania symetrycznego napicia bez konieczno[ci u|ycia
transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wt�rnymi. Rysunek 2.3 przedstawia
aplikacj z prostownikiem jednopoB�wkowym, jednak ze wzgldu na nisk efektywno[ takie
rozwizanie nie jest stosowane. Opr�cz tego nale|y pamita, |e w takiej konstrukcji absolut-
nie niezbdnym elementem jest filtr ttnieD (choby w postaci samych kondensator�w, 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 prostownik�w wraz z
zastosowaniami
Dla projektanta zasilacza najwa|niejszymi parametrami prostownik�w 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 wt�rnego, w kt�rej 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 r�wne dw�m warto[ciom szczytowym napicia wt�r-
nego (rys. 2.4). Z tego powodu napicie rewersyjne powinno by przynajmniej 2,83x wiksze
od warto[ci skutecznej napicia po stronie wt�rnej (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 wt�rnej.
Ostatni wa|n rzecz, o kt�rej 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 wt�rne transformatora. Przyczyna tego zjawiska wi|e si z wystpowaniem
spadku napicia na diodzie przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Tabela 2.1 zawiera
parametry typowych mostk�w 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 mostk�w 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 dwupoB�wkowego 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 r�|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. yr�dBo: [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 wsp�Bczynnik ttnieD (zawsze poni|ej 10%):
1000000
C[�F] = (2.2),
2 3 f [Hz]�RL[�]
gdzie:
" f to czstotliwo[ ttnieD (50Hz dla prostownika dwupoB�wkowego i 100Hz dla jed-
nopoB�wkowego),
" � to zakBadany wsp�Bczynnik ttnieD,
" RL to warto[ rezystancji obci|enia: RL=UO/IO.
Strona 9 z 21
Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny
Istnieje r�wnie| bardziej praktyczna reguBa, kt�ra m�wi, i| na ka|dy 1A prdu obci|enia
nale|y stosowa kondensator o pojemno[ci co najmniej 1000�F.
Wa|nym krokiem jest dob�r maksymalnego napicia roboczego kondensatora. Minimalny
margines to 20% odchyBu od amplitudy napicia, czyli 1,7x warto[ci skutecznej.
2. 3. 2. Obw�d filtrujcy RC
Istniej urzdzenia o szczeg�lnej wra|liwo[ci na wszelkiego rodzaju zakB�cenia 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 obw�d filtrujcy RC przedsta-
wiony na rys. 2.6.
Rys. 2.6. Prosty filtr RC.
Zapewnia on dalsz redukcj wsp�Bczynnika 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 element�w nale|y dobra korzystajc ze wzor�w:
1,44 *10-5
� = (2.3) dla prostownika jednopoB�wkowego,
C1C2R1RL
3,6 *10-6
� = (2.4) dla prostownika dwupoB�wkowego.
C1C2R1RL
Tabela 2.2 zawiera wzory na napicia wyj[ciowe wy|ej wymienionych filtr�w:
Rodzaj filtra Prostownik jednopoB�wkowy Prostownik dwupoB�wkowy
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 poszczeg�lnych filtr�w.
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 om�wione 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 tr�jkoDc�wkowe 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 stabilizator�w przedstawiona jest na rys. 3.1:
Rys. 3.1. Typowa aplikacja stabilizator�w 78xx i 79xx.
Kondensatory C2 i C3 sBu| do zwierania wysokoczstotliwo[ciowych zakB�ceD i s standar-
dem w aplikacjach stabilizator�w. 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 koDc�wki 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 poszczeg�lnych element�w obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu
78xx.
Strona 11 z 21
Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny
Opr�cz tych zewntrznych zabezpieczeD stabilizatory posiadaj wbudowane ukBady zabez-
pieczajce przed zwarciem na wyj[ciu oraz przegrzaniem. Ich podstawow wad jest
konieczno[ zapewnienia r�|nicy potencjaB�w 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 r�|nica pomidzy staBymi elementami typu 78xx i 79xx.
Typowe aplikacje tych ukBad�w przedstawia rys. 3.2.
Rys. 3.2. Podstawowa aplikacja ukBad�w LM317 i LM337.
Regulacj napicia wyj[ciowego uzyskuje si za pomoc zr�dBa referencyjnego 1,25V (po-
midzy koDc�wk Adjust i Output) i dzielnika napicia zBo|onego z rezystor�w R1 i R2.
Wz�r 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 stabilizator�w LM317 i LM337 z redukcj wsp�Bczynnika
ttnieD i zastosowaniem diod zabezpieczajcych.
Rys. 3.3. Bardziej zaawansowana aplikacja ukBad�w LM317 i LM 337.
Rol kondensator�w 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 zr�dBa referencyjnego o warto[ci 1,25V. Jej podstawow funkcj jest odprowa-
dzanie prd�w rozBadowania kondensatora C7, natomiast sam element pojemno[ciowy sBu|y
do redukcji zakB�ceD w napiciu wyj[ciowym.
Zabezpieczenia wewntrzne s takie same, jak w przypadku stabilizator�w 78xx/79xx - pro-
tekcja termiczna i przeciwzwarciowa. R�wnie| minimalna r�|nica potencjaB�w 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 og�le nie za-
dziaBa, co jest podstawow wad tych element�w ze wzgldu na straty mocy nie nadaj si
do zastosowania we wsp�Bczesnych urzdzeniach zasilanych bateryjnie. Tymczasem ukBady
LDO (Low Dropout Voltage, rys. 3.4) umo|liwiaj spadek tego potencjaBu nawet do kilku-
dziesiciu miliwolt�w (np. MAX8563 56mV).
Rys. 3.4. Typowa aplikacja stabilizatora LDO. yr�dBo: [4]
Jest to mo|liwe dziki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczajcego
prd, kt�ry 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 stabilizator�w LDO. yr�dBo: [4].
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem dro|szych) programowalnych stabilizator�w
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. yr�dBo: [6].
Regulacj napicia wyj[ciowego uzyskuje si podBczajc dzielnik rezystorowy (R1, R2 na
rys. 3.6) do pinu SET, kt�rego 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 pob�r prdu wej[cia SET (ok. 10nA) warto[ci rezystor�w 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 pob�r
prdu ukBadu spada poni|ej 1�A.
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). KoDc�wka ta poBczona jest z
otwartym kolektorem wewntrznego tranzystora PNP i zwizana z funkcj detektora spadku
napicia Dropout Voltage (por [6]). Gdy r�|nica potencjaB�w pomidzy wej[ciem, a wyj[ciem
spada poni|ej 300mV (co jest r�wnoznaczne 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. yr�dBo: [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 stabilizator�w 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 obwod�w 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 bezpiecznik�w
W projektowanych urzdzeniach warto zastosowa sygnalizatory napi wyj[ciowych i prze-
palonych bezpiecznik�w, 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
wz�r 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, kt�rych
napicie pracy przekracza 67V (w zale|no[ci od typu). Schemat obwodu i spos�b wyznacza-
nia warto[ci rezystora R1 jest taki sam, jak w przypadku wskaznika z diod LED.
Rysunek 4.2 przedstawia obwody sygnalizator�w przepalonych bezpiecznik�w dla napicia
zmiennego (4.2a) i staBego (4.2b). Gdy bezpiecznik nie jest przepalony, zwiera obw�d lampki
neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie [wieci si. Po przepaleniu bezpiecznika
na jego zaciskach wystpi r�|nica potencjaB�w, 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 wz�r 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 rezystor�w nale|y zwr�ci uwag na fakt, |e zbyt niska re-
zystancja R3 spowoduje wystpienie du|ego poboru prdu ze zr�dBa zasilajcego.
Dla obwodu z rysunku 4.2a przy dobieraniu rezystancji obowizuje wz�r 4.1.
Strona 18 z 21
Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny
5. ChBodzenie zasilacza
Nadmierna temperatura jest jedn z gB�wnych przyczyn uszkodzeD element�w elektronicz-
nych. Praktyka wskazuje, |e zwikszenie temperatury pracy urzdzenia o 10oC powoduje
skr�cenie [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 element�w.
Istniej trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urzdzeD:
1. zastosowanie/poprawienie naturalnej wentylacji,
2. rozproszenie wikszej ilo[ci ciepBa za pomoc radiator�w,
3. zastosowanie aktywnego systemu chBodzenia powietrzem lub wod.
W ramach pierwszej metody nale|y dba o to, aby obudowa urzdzenia posiadaBa wystarcza-
jc ilo[ otwor�w wentylacyjnych. Istotne jest r�wnie| rozmieszczenie wydzielajcych cie-
pBo element�w na pBytce PCB wok�B wzmacniaczy i stabilizator�w 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 spos�b monta|u diod i rezystor�w mocy. yr�dBo: [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 prd�w wypBywajcych do 1,5A (w przypadku stabilizator�w) wy-
starczy zastosowa maBy radiator z wygitej blachy, rys. 5.2. Wiksze moce wymagaj zasto-
sowania u|ebrowanych radiator�w o du|ych gabarytach.
Strona 19 z 21
Zasilacze i stabilizatory liniowe Maciej Obszarny
Rys. 5.2. Popularne radiatory dla obudowy TO-220. yr�dBo: [1].
Istotny jest spos�b zamocowania radiatora obudow elementu nale|y posmarowa past
termoprzewodzc i dobrze dokrci [rub monta|ow. W przypadku, gdy kilka element�w
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 potencjaB�w na radiator.
UkBady o du|ym poborze mocy wymagaj stosowania aktywnych system�w chBodzenia. Naj-
cz[ciej wykorzystuje si chBodzenie powietrzem wymuszajc jego obieg za pomoc jednego
lub kilku wentylator�w. Opr�cz tego istotne jest zachowanie wBa[ciwego kierunku przepBywu
powietrza wzgldem radiator�w, rys. 5.3. W przypadku, gdy konieczne jest wykorzystanie
zespoBu wentylator�w, warto podzieli je na dwie grupy, z kt�rych jedna wtBacza powietrze, a
drug odprowadza je z obudowy.
Rys. 5.3. WBa[ciwy kierunek przepBywu powietrza chBodzcego. yr�dBo: [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 Krak�w 2006 r.
[3] Elementy p�Bprzewodnikowe , Robert Lasko, AGH Krak�w 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 2L5 Badanie stabilności liniowego układu 3 rzędu z opóźnieniem Wpływ wartości opóźnienia na stabiStabilizatory liniowe,Stabilizatory liniowe, cz 2Stabilizatory liniowe 2c cz 213 Zasilacze stabilizatoryZasilacz stabilizowany 0 30 VCw Zasilacz stabilizowanyStabilizatory linioweZasilacz Stabilizowany 13,8 V 20A , na bazie Zasilacza z komputera07 Stabilność liniowych stacjonarnych układów sterowaniaZasilacz stabilizowanyzasilanie i stabilizacja pkt pracywięcej podobnych podstron