Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Stabilizatory służą do stabilizacji napięć zasilających. Typowe napięcia wyjściowe stabilizatorów mieszczą się w granicach od 5 V do 15 V, lecz są budowane również układy zarówno dla niższych, jak i wyższych napięć. Najprostszymi układami stosowanymi w układach elektronicznych są stabilizatory parametryczne (Rys. 8.1), które wykorzystują dużą stromość charakterystyki napięciowo‑prądowej w kierunku zaporowym diody Zenera.

R1I0CFeitay95
Rys. 8.1 Stabilizator parametryczny z tranzystorem i diodą Zenera
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

Obecnie stosowane stabilizatory napięcia stanowią elektroniczne układy scalone przeznaczone do utrzymywania żądanego napięcia stałego. Układ taki powinien działać niezależnie od obciążenia oraz wahań napięcia. W stabilizatorach utrzymywanie stałego napięcia wyjściowego osiągnięto dzięki ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu. Ponadto od stabilizatorów wymaga się zachowania niezmienności napięcia niezależnie od temperatury.

Dla stabilizatorów można wyróżnić podstawowe parametry:

  • znamionowa wartość napięcia wyjściowego,

  • maksymalny prąd wyjściowy,

  • maksymalny prąd zwarcia,

  • zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego,

  • minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem a wejściem, potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego,

  • współczynnik stabilizacji napięciowej czyli stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany napięcia wejściowego,

  • współczynnik stabilizacji prądowej czyli stosunek zmiany prądu wyjściowego do zmiany prądu wejściowego,

  • rezystancja wyjściowa,

  • sprawność energetyczna.

Podział stabilizatorów

  • Stabilizatory liniowe – dostarczają stabilizowane napięcie ze źródła zasilania do odbiornika. Charakteryzują się dużą niezawodnością, trwałością i niewielkim kosztem, mają jednak wyraźną wadę związaną z dużą ilością wydzielonego ciepła. Z tej przyczyny stabilizator liniowy najczęściej wymaga zastosowania odpowiedniego radiatora. Wśród stabilizatorów liniowych można wyróżnić układy o ustalonej wartości dodatniej lub ujemnej oraz stabilizatory o regulowanej wartości dodatniej lub ujemnej. Z tej grupy stabilizatorów najczęściej stosowanymi układami scalonymi są: LM78xx, LM79xx oraz LM317 (gdzie xx określa napięcie wyjściowe).
    W układzie LM78xx (tzw. stabilizator dodatni) wejście podłączone jest do obwodu dodatniego (np. zasilacza), w układzie LM79xx (tzw. stabilizator ujemny) wejście podłączone jest do obwodu ujemnego.

RLCAVBcUU51YR
Rys. 8.2 Układ podłączenia stabilizatora napięcia
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.
R1aGfctCdTJbb
Rys. 8.3 Podłączenie stabilizatorów liniowych
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.
  • Stabilizatory impulsowe (przetwornice) – charakteryzują się ciągłym działaniem, a ich zaletami są szybkość odpowiedzi i niski poziom szumów podczas pracy. Do wad stabilizatorów impulsowych zalicza się m.in. niską sprawność, która wynika z nieprzerwanej utraty mocy na tranzystorze wykonawczym.

RLVTMBmBkrpRI
Rys. 8.4 Kształtowanie przez modulację szerokości impulsów
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

Stabilizator impulsowy

R1anfJDm42T7g
Rys. 8.5 Stabilizator impulsowy
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

W stabilizatorze impulsowym tranzystor pracujący jako klucz nasycony powoduje cykliczne dołączanie na krótko cewki indukcyjnej do źródła niestabilizowanego napięcia wejściowego. W czasie trwania każdego impulsu nasycającego tranzystor prąd płynący przez cewkę narasta liniowo. W polu magnetycznym cewki gromadzi się energia, która w następnej fazie cyklu jest przekazywana do kondensatora filtrującego, dołączonego do wyjścia stabilizatora. Kondensator wygładza tętnienia napięcia wyjściowego.

Stabilizator zmniejszający wartość napięcia

RpcgCbqcMWCZx
Rys. 8.6 Stabilizator zmniejszający wartość napięcia
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

Na rysunku przedstawiono schemat części przełącznikowej podstawowego układu stabilizatora zmniejszającego wartość napięcia. Gdy tranzystor MOS jest włączony, na cewce pojawia się napięcie o stałej wartości: (Uwe-Uwy), co jest przyczyną liniowego narastania prądu w cewce. Prąd ten wpływa do kondensatora i do obciążenia. Po wyłączeniu tranzystora prąd nadal płynie przez cewkę w tym samym kierunku. Obwód prądu zamyka się przez diodę, która wchodzi w stan przewodzenia. Kondensator umieszczony na wyjściu układu wygładza piłozębne tętnienia napięcia wyjściowego (im większa wartość pojemności kondensatora tym mniejsza amplituda napięcia tętnień). W tej fazie wartość napięcia na cewce jest prawie stała i równa (Uwy-0,6) [V], co powoduje liniowe zmniejszenie są prądu w cewce.

R2WnWSIO1NHgE
Rys. 8.7 Przebiegi napięć i prądów układu stabilizatora zmniejszającego wartość napięcia
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

Na rysunku przedstawiono przebiegi napięć i prądów występujących w analizowanym układzie. Kompletny układ stabilizatora musi zawierać obwód sprzężenia zwrotnego, który będzie zmieniać albo szerokość impulsów doprowadzanych do bramki tranzystora MOS (przy stałej częstotliwości a zmiennym czasie trwania t1 – modulacja PWM), albo częstotliwości impulsów (przy stałym czasie trwania t1 a zmiennej częstotliwości – modulacja PFM). Sygnałem powodującym zmianę parametrów ciągu impulsów jest sygnał wyjściowy wzmacniacza błędu, porównującego wartość napięcia wyjściowego stabilizatora z wartością napięcia odniesienia.

Stabilizator zwiększający wartość napięcia

RHuSmO15fABDi
Rys. 8.8 Stabilizator zwiększający wartość napięcia
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

Gdy klucz tranzystorowy jest włączony (potencjał punktu X jest bliski potencjałowi masy), wartość prądu płynącego przez cewkę rośnie liniowo. Po wyłączeniu klucza wartość napięcia w punkcie X gwałtownie rośnie, gdyż musi być spełniony warunek ciągłości prądu płynącego przez cewkę. Dioda zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i płynie przez nią prąd ładujący kondensator. Wartość napięcia wyjściowego może być wielokrotnie większa od wartości napięcia wejściowego.

Stabilizatory LDO (ang. Low Drop Out) – rodzaj stabilizatorów liniowych, wymagających niewielkiego zróżnicowania między napięciem wejściowym a wyjściowym. Przystosowane do pracy ciągłej, nie sprawdzają się jednak przy wysokim napięciu wejściowym. Głównymi elementami budowy stabilizatorów LDO są: źródło napięcia odniesienia, wzmacniacz błędu i element szeregowy, taki jak tranzystor bipolarny albo MOSFET.

RUh7OYm5jwOYJ
Rys. 8.9 Schemat ideowy stabilizatora LDO
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

Istotą działania stabilizatorów ze sprzężeniem zwrotnym jest to, że układ dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego śledzi zmiany napięcia wyjściowego i przeciwdziała im w taki sposób, aby napięcie wyjściowe pozostało niezmienne. Napięcie wyjściowe jest podawane poprzez układ próbkujący na wejście wzmacniacza błędu. Układem próbkującym jest układ dzielnika napięcia złożony z rezystorów R2R3. Napięcie na wejściu wzmacniacza błędu wynosi więc

UR3=R3R2+R3·Uwy

Na drugie wejście wzmacniacza błędu podawane jest napięcie odniesienia Uref. Różnica napięć na wejściach wzmacniacza błędu nazywana jest sygnałem błędu. Sygnał błędu jest wzmacniany i podawany (w przeciwnej fazie do zachodzących zmian lecz na wyjściu stabilizatora) na wejście elementu regulacyjnego, czyli na bazę tranzystora T. Jeżeli napięcie na wyjściu stabilizatora zwiększa się, to sygnał błędu powoduje zmniejszenie wysterowania tranzystora T i tym samym zmniejszenie napięcia wyjściowego (gdyż zwiększa się napięcie UCE tranzystora T), podobnie przy zmniejszaniu napięcia wyjściowego tranzystor T jest bardziej wysterowany i napięcie na wyjściu ulega zwiększeniu (napięcie UCE zmniejsza się).

Przy założeniu, że wzmacniacz błędu ma wzmocnienie o bardzo dużej wartości to w przybliżeniu napięcie wyjściowe stabilizatora wynosi:

Uwy=Uref·1+R2R3

Zasilacze stanowią źródła napięcia zasilania układów elektronicznych. Wymagania związane z dostarczaniem dużej energii sprawiają, że zasilacze muszą być dostosowane pod kątem mocy i napięcia wyjściowego do wymagań zasilanego urządzenia, przy czym napięcie wyjściowe może być niestabilizowane lub stabilizowane.

Wyróżnia się dwie grupy zasilaczy:

  • zasilacze liniowe (o działaniu ciągłym) (Rys. 8.10), składające się z transformatora sieciowego obniżającego napięcie, układu prostowniczego (najczęściej jest to mostek Graetza), filtrów wygładzających oraz stabilizatora liniowego (zazwyczaj stosuje się układy monolityczne serii LMx17 i LM78xx - np. LM317, LM7805);

RrsaaZsjwSXOC
Rys. 8.10 Schemat blokowy zasilacza liniowego nazywanego zasilaczem o działaniu ciągłym.
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.
  • zasilacze impulsowe (Rys. 8.11), w których regulacja napięcia wyjściowego odbywa się dzięki cyfrowemu układowi sterowania, przełączającemu z wysoką częstotliwością odpowiedni tranzystor (sterowanie poprzez modulację PWM).

RycQxn94Hmwux
Rys. 8.11 Schemat blokowy zasilacza impulsowego
Źródło: Akademia Finansów i Biznesu Vistula, licencja: CC BY 3.0.

Wróć do spisu treściDYwCnCGuzWróć do spisu treści

Powrót do materiału głównegoDerb8l5kQPowrót do materiału głównego