Promocja na książki: elektroniki, Arduino, programowanie, IT od 6,90 zł. Sprawdź listę ponad 350 tytułów »

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.

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

Jak wygląda układ scalony?

Z dużym prawdopodobieństwem, gdy przeczytałeś, że w tej części nareszcie zajmiemy się układami scalonymi pomyślałeś o elemencie podobnym do poniższego. To jest akurat popularny układ NE555, którym zajmujemy się podczas II poziomu kursu elektroniki

Przykładowy układ scalony: NE555

Łatwo jednak zapomnieć, że układy scalone mogą wyglądać inaczej. Nie muszą być czarnymi bloczkami z symetrycznie ułożonymi wyprowadzeniami. Układem scalonym nazywamy najczęściej dużą liczbę elementów biernych oraz czynnych, które są połączone w odpowiedni sposób i wykonują konkretne zadanie. Układ zbudowany z wielu elementów zamykany jest w małej obudowie, która pozwala na budowanie większych urządzeń z takich poręcznych "elektronicznych klocków".

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.

Zestaw elementów do kursu

 999+ pozytywnych opinii  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Taniej w pakiecie: Mistrz ElektronikiMistrz Majsterkowania

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 stabilne zasilanie.

Temat stabilnego zasilania pojawił się już na samym początku kursu, gdy była mowa o niechcianym oporze wewnętrznym baterii. Już wtedy wyraźnie było widać, że potrzebne są układy, które dostarczają naprawdę stabilnego napięcia - niezależnie od chwilowego obciążenia.

Stabilizatory liniowe

Stabilizatory linowe to układy, które działają na bardzo prostej zasadzie: na ich wejście podajemy jakieś napięcie ze źródła (np. z baterii), a one udostępniają na swoim wyjściu konkretne, stabilne napięcie, ale niższe od napięcia wejściowego.

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

Przykładowe, małe układy scalone stabilizujące napięcie

Stabilizatory liniowe są tanie, proste w użyciu i niezawodne. Mają one jednak 2 główne wady:

  • wydzielają ciepło, proporcjonalne do różnicy napięć (wejście/wyjście) i pobieranego prądu,
  • nie potrafią wytworzyć napięcia wyższego niż wejściowe.

Wzór na traconą moc nie jest skomplikowany i wygląda następująco:

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

  • Uwe – napięcie wejściowe, podawane na układ [V],
  • Uwy – napięcie wyjściowe, określone przez producenta [V],
  • I – pobierany z wyjścia stabilizatora prąd [A].
Czym jest moc? Jak dobrać odpowiednie elementy?
Czym jest moc? Jak dobrać odpowiednie elementy?

Każdy kojarzy takie pojęcie jak moc. Informacje na jej temat… Czytaj dalej »

Moc jest tracona w postaci ciepła nagrzewającego obudowę stabilizatora, dlatego często elementy te mają konstrukcję ułatwiającą przykręcenie do nich 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 naszego zestawu i 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. Tutaj "05" należy interpretować jako 5V.

Opisywany stabilizator cechuje się 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).

Stabilizator LM7805 w praktyce

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

Schemat ideowy.

Schemat ideowy układu ze stabilizatorem

Wszystkie niezbędne elementy potrzebne do stabilizacji znajdują się wewnątrz małej obudowy z trzema wyprowadzeniami. Między zacisk wejścia (IN), a masę (GND) włącza się zasilanie, a obciążenie (zasilany układ) między zacisk wyjściowy (OUT) i masę.

Wyprowadzenia stabilizatora LM7805

Kondensatory są konieczne, do filtrowania ewentualnych zakłóceń, ale ich wartości (przynajmniej przy takim projekcie) nie są krytyczne. Dla przypomnienia, więcej informacji o kondensatorach znaleźć można w czwartej części kursu elektroniki.

Zestaw elementów do kursu

 999+ pozytywnych opinii  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Taniej w pakiecie: Mistrz ElektronikiMistrz Majsterkowania

Zmontowany na płytce stykowej układ wygląda tak, jak na poniższym zdjęciu. Nie dodawaj na razie diod i rezystorów (nimi zajmiemy się później). Teraz zależy nam jedynie na zmierzeniu napięcia, które pojawi się na wyjściu nieobciążonego stabilizatora.

Minimalny dropout tego układu to 2V, czyli na jego wejście należy podać minimum 5V + 2V = 7V. W zestawie dołączona jest bateria 9V, zatem nada się do tego idealnie. Po podłączeniu układu możemy odczytać informacje z miernika:

Napięcie zmierzone woltomierzem powinno być zbliżone do 5V. Teraz zobaczmy, jak zachowuje się napięcie wyjściowe po dodaniu obciążenia. Użyjemy dwóch diod wraz z rezystorami ograniczającymi prąd. Kolor świecenia jest nieistotny - chodzi tylko o to, aby pobierać z wyjścia prąd.

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

Sprawdźmy, jak bardzo zmieniło się napięcie wyjściowe:

Pomiar napięcia na obciążonym wyjściu LM7805

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

Napięcie 5V jest bardzo popularne w technice cyfrowej, dlatego warto znać ten niedrogi i pożyteczny układ. To właśnie takim napięciem będziesz zasilał większość swoich przyszłych projektów (np.: tych, które działają z Arduino).

Jak wygląda wnętrze LM7805?

Na początku artykułu napisane było, że układy scalone są przydatnymi "klockami" w małej obudowie. Poniżej, w ramach ciekawostki, widoczny jest  schemat wnętrza stabilizatora 7805. Jest to wycinek jego noty katalogowej. Chyba poznajesz już wszystkie elementy?

Wnętrze stabilizatora 7805.

Wnętrze stabilizatora 7805 z noty katalogowej

Spokojnie... nie będziemy zajmować się analizą działania tego układu - możemy się cieszyć, że ktoś inny zrobił to za nas! Oczywiście tranzystory i rezystory znajdujące się wewnątrz układów scalonych są znacznie mniejsze od używanych przez nas elementów. Nikt nie "upchnąłby" w małym LM7805 tylu elementów w standardowych obudowach.

Stabilizatory/przetwornice impulsowe

Mimo 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 przy zasilaniu bateryjnym. Ponadto, czasami zachodzi potrzeba wytworzenia napięcia wyższego niż te, które oferuje źródło napięcia zasilania.

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 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.

Przykładowa przetwornica DC/DC

Podczas tego kursu podstaw elektroniki nie omawiamy dokładniej przetwornic impulsowych, więcej informacji na ten temat znaleźć można podczas wykonywania ćwiczeń z kursu elektroniki, poziom II:

Kurs elektroniki II – #10 – przetwornice impulsowe
Kurs elektroniki II – #10 – przetwornice impulsowe

Nadszedł czas, aby na łamach kursu elektroniki rozszerzyć temat zasilania… Czytaj dalej »

Rozszyfrowanie skrótów i oznaczeń

Szukając odpowiedniego stabilizatora można się natknąć na określenia, które dla osób nieobeznanych w temacie są niezrozumiałe. Oto słowniczek najczęściej używanych skrótów:

  • LDO – jest to skrót od angielskich słów „Low-DropOut”, czyli jest to stabilizator liniowy, który do działania wymaga małej różnicy napięć między wejściem a wyjściem, rzędu 1V lub mniej. Stabilizatory LDO są droższe od zwykłych (jak 78xx) i nie tolerują wysokich napięć wejściowych.
  • Stabilizator regulowany – napięcie wyjściowe można regulować, najczęściej przy użyciu dodatkowego potencjometru. Najpopularniejszym stabilizatorem regulowanym jest LM317.
  • Stabilizator nieregulowany – napięcie wyjściowe jest określone przez producenta układu i podane na jego obudowie. Przykładem jest testowany tutaj układ LM7805.

Podsumowanie

W tej części kursu poznaliśmy jeden z wielu typów układów scalonych, do których należą stabilizatory napięcia. Mają one niebagatelne znaczenie w elektronice. Stabilizatory takie w praktyce są np. używane w naszym kursie programowania Arduino oraz w kursie budowy robotów.

Czy artykuł był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena / 5. Głosów łącznie:

Zanim przejdziesz dalej, upewnij się, że rozumiesz działanie stabilizatorów i potrafisz wykorzystać je w praktyce. Wszystkie ćwiczenia wykonasz dzięki elementom, które znajdują się w naszych zestawach. W kolejnej części kursu zajmiemy się przekaźnikami, przy okazji wykorzystamy również stabilizator!

Nawigacja kursu

Aktualna wersja kursu: Damian Szymański, ilustracje: Piotr Adamczyk. Pierwsza wersja: Michał Kurzela. Schematy montażowe zostały wykonane przy częściowym wykorzystaniu oprogramowania Fritzing (oraz własnych bibliotek elementów). Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl

Data ostatniego sprawdzenia lub aktualizacji tego wpisu: 12.03.2019.

7805, kursElektroniki, ldo, stabilizatory

Trwa ładowanie komentarzy...