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, a 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, który opisujemy podczas II poziomu kursu elektroniki.

NE555 jako przykładowy układ scalony

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 trzech 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 stabilne napięcie – niezależnie od chwilowego obciążenia.

Stabilizatory liniowe

Stabilizatory liniowe 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 miliwoltów).

Przykładowe stabilizatory napięcia w różnych obudowach

Przykładowe małe układy scalone stabilizujące napięcie

Stabilizatory liniowe są tanie, proste w użyciu i niezawodne. Mają jednak dwie 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 – prąd pobierany z wyjścia stabilizatora [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 widzimy na wielu produktach między innymi na żarówkach i odkurzaczach.…... 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 5 V.

Opisywany stabilizator cechuje się następującymi właściwościami:

  • napięcie wyjściowe: 5 V (±0,25 V),
  • maksymalny prąd wyjściowy: 1,5 A,
  • minimalny dropout: 2 V,
  • 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 wykorzystamy poniższy układ. Jak widać, jest on bardzo prosty: stabilizator, dwa kondensatory 100 nF, bateria 9 V oraz multimetr ustawiony jako woltomierz (diody zostawiamy na później).

Schemat ideowy układu demonstrującego działanie stabilizatora w praktyce.

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.

Opis wyprowadzeń stabilizatora LM7805

Wyprowadzenia stabilizatora LM7805

Kondensatory są konieczne z dwóch powodów. Po pierwsze umożliwiają prawidłową pracę tego układu, ponieważ ich obecność jest wymagana przez producenta. Po drugie służą filtracji ewentualnych zakłóceń. Ich wartości (przynajmniej przy takim projekcie) nie są jednak 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 (zajmiemy się nimi później). Teraz zależy nam jedynie na zmierzeniu napięcia, które pojawi się na wyjściu nieobciążonego stabilizatora.

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

Napięcie zmierzone woltomierzem powinno być zbliżone do 5 V. 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 schemat:

Sprawdźmy, jak bardzo zmieniło się napięcie wyjściowe:

Stabilizator napięcia w praktyce - przykładowy pomiar napięcia

Pomiar napięcia na obciążonym wyjściu LM7805

W testowanym przypadku napięcie nie drgnęło nawet o 0,01 V, 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 5 V 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. Czy poznajesz już wszystkie elementy?

Wnętrze stabilizatora liniowego 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 takich zalet jak niska cena czy 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 to, 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 alternatywa dla stabilizatorów liniowych, czyli przetwornica DC/DC

Przykładowa przetwornica DC/DC

W trakcie 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 układów. Teraz zajmiemy się przetwornicami impulsowymi, które... 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 – to skrót od angielskich słów low-dropout, czyli jest to stabilizator liniowy, który do działania wymaga małej różnicy napięć między wejściem a wyjściem, rzędu 1 V 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 poznałeś 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 wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 488

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

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: 15.09.2020.

7805, kursElektroniki, ldo, stabilizator, stabilizatory

Trwa ładowanie komentarzy...