Kurs elektroniki – #8 – stabilizatory napięcia

Kurs elektroniki – #8 – stabilizatory napięcia

Po raz pierwszy w kursie elektroniki, odchodzimy od podstawowych elementów elektronicznych, by zająć się bardziej złożonymi układami scalonymi.

Obecnie istnieje ogrom układów scalonych, każdy z nich ma inne przeznaczenie. W tym artykule zostaną opisane stabilizatory napięcia.

Jak wygląda układ scalony?

Z dużym prawdopodobieństwem, gdy przeczytałeś, że w tej części nareszcie zajmiemy się układami scalonymi pomyślałeś o takich elementach jak poniższe:

układ_scalony

Przykładowe układy scalony.

Łatwo zapomnieć, że układy scalone mogą wyglądać inaczej. Nie muszą być czarnymi sześcianami z symetrycznie rozmieszczonymi wyprowadzeniami. Układem scalonym nazywamy  najczęściej dużą ilość elementów biernych oraz czynnych, które połączone w odpowiedni sposób wykonują konkretne zadanie.

W tej części zajmiemy się stosunkowo prostymi układami scalonymi, czyli stabilizatorami napięcia. Do pracy potrzebują one najczęściej tylko 3 wyprowadzeń. Dlatego zamknięte zostały w obudowach innych od tych, które są przeważnie kojarzone z układami scalonymi.

Jaki jest cel stabilizacji napięcia?

Jak sama nazwa wskazuje, chodzi o uzyskanie stabilnego napięcia stałego. Takiego, którego wartość nie zmienia się - niezależnie od temperatury, czasu, pobieranego prądu, umiejscowienia urządzenia itd.

Zarówno baterie, akumulatory jak i zasilacze sieciowe dostarczają napięcie, które jest określone tylko w pewnych granicach. Z kolei, układy elektroniczne „lubią” pracować w niezmiennych warunkach, a do takich zalicza się, przede wszystkim, zasilanie.

Stabilizatory liniowe

Są to układy, które działają na bardzo prostej zasadzie: podajemy na ich wejście napięcie ze źródła (np. z baterii), a one udostępniają na swoim wyjścu napięcie niższe, ale ustabilizowane.

Różnica między napięciem wejściowym, a wyjściowym to tzw. dropout. Każdy stabilizator cechuje się minimalną wartością tego parametru (pojedyncze wolty lub setki miliwoltów), konieczną do prawidłowej pracy.

Stabilizatory liniowe są tanie, proste w użyciu i stosunkowo niezawodne. Mają jednak dwie zasadnicze wady:

  • wydzielają ciepło, proporcjonalne do różnicy napięć (wej/wyj) i pobieranego prądu;
  • nie potrafią wytworzyć napięcia wyższego niż wejściowe, tylko niższe.

Wzór na traconą moc nie jest skomplikowany i wygląda następująco:

P = (Uwe - Uwy) * I, gdzie:

  • Uwe – napięcie wejściowe, podawane na układ [V]
  • Uwy – napięcie wyj., określone przez producenta lub ustawione przez użytkownika [V]
  • I – pobierany z wyjścia stabilizatora prąd [A]

Owa moc jest tracona w postaci ciepła nagrzewającego obudowę stabilizatora, dlatego często mają one konstrukcję mechaniczną ułatwiającą przykręcenie ich do radiatora, czyli elementu odprowadzającego ciepło.

W rzeczywistości, stabilizator pobiera niewielki prąd, potrzebny do działania jego wewnętrznych obwodów, dlatego pobierany prąd jest nieco większy niż oddawany do obciążenia.

Przykładowy stabilizator jest dołączony do zestawu, nosi oznaczenie 7805. Na obudowie mogą występować różne prefiksy (np. LM lub KA) albo sufiksy, ale zasadniczy jest rdzeń. Należy on do całej rodziny stabilizatorów 78xx, gdzie dwie ostatnie cyfry oznaczają ustaloną wartość napięcia wyjściowego.

Stabilizator LM7805.

Stabilizator LM7805.

Cechuje się on następującymi właściwościami:

  • napięcie wyjściowe: 5V (±0,25V)
  • maksymalny prąd wyjściowy: 1,5A
  • minimalny dropout: 2V
  • zabezpieczenie przed uszkodzeniem w razie przegrzania lub zwarcia wyjścia
  • obudowa: TO220 (umożliwia dokręcenie radiatora)

Prezentacja działania

Sprawdzimy, czy ten układ faktycznie potrafi stabilizować napięcie. W tym celu, zostanie wykorzystany następujący układ. Jak widać, jest on bardzo prosty: stabilizator, dwa kondensatory 100nF i bateria 9V oraz multimetr ustawiony jako woltomierz (diody zostawiamy na później).

Schemat ideowy.

Schemat ideowy.

Wszystkie niezbędne elementy potrzebne do stabilizacji znajdują się wewnąrz malej obudowy z trzema wyprowadzeniami. Między zacisk wejścia (IN), a masę (GND) włącza się zasilanie, a obciążenie (zasilany układ) między zacisk wyjściowy (OUT) i masę. Kondensatory są konieczne, do filtrowania ewentualnych zakłóceń. Więcej na ten temat znaleźć można w osobnym artykule.

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Zestaw ponad 90 elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń z kursu dostępny jest u naszych dystrybutorów już od 47zł!

Kup w Botland.com.pl

Zmontowany na płytce stykowej układ wygląda tak, jak na poniższym zdjęciu. Nie dodawaj na razie diod i rezystorów, o nich później.

Stabilizator na płytce stykowej

Stabilizator na płytce stykowej

Minimalny dropout tego układu to 2V, czyli na jego wejście należy podać, co najmniej, 7V. W zestawie dołączona jest bateria 9V, zatem nada się do zasilenia układu.

Pomiar napięcia wyjściowego bez obciążenia

Pomiar napięcia wyjściowego bez obciążenia

Napięcie zmierzone woltomierzem powinno być zbliżone do 5V. Spróbuj ogrzać obudowę stabilizatora (metalową wkładkę) palcami – czy napięcie zmienia się znacząco?

Teraz zobaczymy, jak zachowuje się napięcie wyjściowe po dodaniu obciążenia. Użyjemy dwóch diod świecących wraz z rezystorami ograniczającymi prąd. Kolor świecenia jest nieistotny - chodzi tylko o to, aby pobierać z wyjścia pewien prąd.

W tym celu, należy rozbudować układ na płytce stykowej tak, jak wskazywał to schemat:

Układ stabilizatora z dołączonym obciążeniem

Układ stabilizatora z dołączonym obciążeniem

 Sprawdźmy, jak bardzo zmieniło się napięcie wyjściowe:

Pomiar napięcia na wyjściu stabilizatora po dodaniu obciążenia

Pomiar napięcia na wyjściu stabilizatora po dodaniu obciążenia

W testowanym przypadku, napięcie nie drgnęło nawet o 0,01V, a przecież pobierany z wyjścia prąd wzrósł od niemal zera do ok. 20mA. Pamiętasz, jaki efekt był opisany w części trzeciej? Opór wewnętrzny źródła zasilającego powodował zmianę napięcia. Tutaj zmiana nie występuje, skąd można wysnuć ważny wniosek:

Napięcie 5V jest bardzo popularne w technice cyfrowej, dlatego warto znać ten opisywany niedrogi i pożyteczny układ. To właśnie tym zasilaniem (lub 3.3V) będziesz zasilał większość swoich przyszłych układów, np,: tych opartych o Arduino.

Wnętrze stabilizatora linowego

Pamiętasz, jak na początku artykułu napisałem, że układy scalone są przydatnymi modułami w małej obudowie? Poniżej, dla ciekawości przedstawiam schemat wnętrza stabilizatora 7805. Jest to wycinek jego noty katalogowej.

Chyba poznajesz już wszystkie elementy? Spokojnie... nie będziemy zajmować się analizą działania tego układu!

Wnętrze stabilizatora 7805.

Wnętrze stabilizatora 7805.

Stabilizatory impulsowe

Mimo poważnych zalet, jak niska cena i prostota, stabilizatory liniowe cieszą się dzisiaj mniejszą popularnością niż kiedyś. Dzieje się tak, ponieważ coraz większą rolę odgrywa redukcja mocy pobieranej przez układ, zwłaszcza w zasilaniu bateryjnym. Ponadto, czasami zachodzi potrzeba wytworzenia napięcia wyższego niż te, które oferuje źródło napięcia zasilania – na przykład, w lampach błyskowych wytwarzane są setki woltów przy użyciu kilku baterii 1,5V.

Stabilizatorów impulsowych można znaleźć setki, jeśli nie tysiące, lecz bazują one na prostym zjawisku fizycznym: samoindukcji.

Idea wykorzystania samoindukcji jest prosta: jeżeli przez cewkę przepuszczamy prąd, a potem nagle go odłączamy, to wygeneruje ona na swoich zaciskach napięcie. Jeżeli cały układ zostanie skonfigurowany tak, aby generowane napięcie dodawało się do zasilającego, uzyskamy przetwornicę podwyższającą napięcie. Jeżeli zaś napięcie wytwarzane przez odłączaną cewkę będzie się odejmowało od zasilającego, to uzyskamy układ obniżający napięcie. Specjalizowany układ scalony porównuje napięcie wyjściowe z wartością zadaną i odpowiednio steruje przełączaniem cewki.

W tym kursie podstaw elektroniki nie zdecydowałem się również na praktyczne wykorzystanie stabilizatorów impulsowych. Jeśli czytelnicy będą zainteresowani, szersza informacja na ich temat pojawi się w kontynuacji kursu! Każdy głos w komentarzu zostanie wzięty pod uwagę!

Rozszyfrowanie skrótów

Szukając odpowiedniego stabilizatora można się natknąć na wiele skrótów bądź określeń, które dla osób nieobeznanych w temacie wydają się być niezrozumiałe. Postaram się objaśnić te najczęściej spotykane.

LDO – jest to akronim od angielskich słów „Low-DropOut”. Jest to stabilizator liniowy, który do prawidłowego działania wymaga małej różnicy napięć między wejściem a wyjściem, rzędu 1V lub mniej. Przykładem są układy z rodziny LD1117 (np. LD1117V33 o napięciu wyjściowym 3,3V), które wymagają, typowo, 1V spadku napięcia. Stabilizatory LDO są, na ogół, droższe od zwykłych (jak 78xx) i nie tolerują wysokich napięć wejściowych.

Regulowany – napięcie wyjściowe można regulować, na ogół przy użyciu dodatkowego potencjometru. Najpopularniejszym stabilizatorem regulowanym jest LM317.

Nieregulowany – w przeciwieństwie do opisanych wyżej, napięcie wyjściowe jest określone przez producenta i podane na obudowie układu. Przykładem jest testowany układ 7805.

Step-up  - przetwornica impulsowa podwyższająca napięcie, na przykład LM2577. Dostępny w wersji z regulowanym napięciem wyjściowym (LM2577-ADJ) lub stałym (np. LM2577-12).

Step-down  - przetwornica obniżająca napięcie, na przykład LM2575. Dostępny w takich samych wersjach co LM2577.

Step-up/down - układ przetwornicy impulsowej, który potrafi utrzymać żądane napięcie na wyjściu, niezależnie od tego, czy napięcie zasilające jest od niego wyższe bądź niższe.

Przykładowy moduł przetwornicy step-up/down firmy Pololu.

Przykładowy moduł przetwornicy step-up/down firmy Pololu.

Daj znać w komentarzu, jeśli chcesz, aby powstała kontynuacja kursu, która omówi m.in. moduły przetwornic (takie jak powyższe)!

Podsumowanie

W tej części kursu zapoznałeś się z jednym z wielu typów układów scalonych, do których należą stabilizatory napięcia. Mają one niebagatelne znaczenie w elektronice, co za tym idzie – w robotyce również. Wszak roboty są zasilane z akumulatorów, których napięcie zmienia się, dlatego trzeba zapewnić stabilne zasilanie dla delikatnego układu nadzorującego jego działanie.

Kolejna, ostatnia część kursu przeznaczona będzie na omówienie bardzo prostych elementów - przekaźników!

Nawigacja kursu

Nie oszczędzaj czasu na eksperymenty. Wszystkie testy przeprowadzisz dzięki garstce tanich elementów. Gwarantuję Ci, że kilkanaście minut poświęcone na testy praktyczne zaowocuje lepszym poznaniem tematu!

Autor: Michał Kurzela
Edycja: Damian (Treker) Szymański

P.S. Nie chcesz przeoczyć kolejnych części naszego darmowego kursu podstaw elektroniki? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych publikacjach!

7805, kursElektroniki, ldo, stabilizatory, step-down, step-up

Komentarze

Dodaj komentarz