Kurs elektroniki – #8 – stabilizatory napięcia

[cezary]

Witam wszystkich!

Jako ciekawostkę podaję schemat starego zasilacza Casio (do organek) 7.5V, który jak się okazuje jest oparty właśnie o stabilizator napięcia 7805. Ostatnio pomyślałem sobie, że można by spróbować go naprawić. Rozkręciłem go i rozpracowałem schemat na podstawie płytki - jest dość prosty i zawiera wiele elementów z lekcji kursu elektroniki:

[gawroon7]

Dzień dobry, mam pytanie - dlaczego do stosowania stabilizatora napięcia konieczna jest filtracja zasilania wejściowego i wyjściowego? Czy układ stabilizatora wewnątrz nie radzi sobie z nagłymi zmianami napięcia (nie różniczkuje, na chłopski rozum, tylko całkuje), czy jak to jest i dlaczego? Nie bardzo rozumiem sens stosowania tam kondensatorów. Z resztą nie jest powiedziane - to jest wymóg wynikający z natury samego stabilizatora, układu, czy czego?

I jeszcze jedno - nie chcąc uszkodzić stabilizatora wolę sam nie sprawdzać, więc pytam: Co by się stało, gdybym nie zapewnił warunków do minimalnego drop-out'u? Przykładowo podał 6V na wejście przy stabilizatorze z zestawu, który min. drop-out ma 2V, przy Uin_min=5V.

Dzięki za odpowiedzi.

EDIT: Nasunęło mi się - czy stabilizator napięcia nie powinien się nazywać "wymuszacz" napięcia? Pytanie dotyczy zasady działania. Bo jeżeli stabilizuje, to powinien radzić sobie ze zmianami napięcia, bo w moim rozumowaniu takie jest jego zadanie - z nazwy. Natomiast nazwy bywają często mylące i stąd moje pytanie.

[marek1707]

3. To może zacznę od końca. Nie wiem, czy nazwa ma duże znaczenie. W angielskim są to regulatory (voltage regulators) i nie jestem przekonany, czy lepiej oddaje to istotę tego co robią. Stabilizator wydaje się dobrym i jest dawno przyjętym u nas określeniem, ale trzeba pamiętać, że w typowym, liniowym układzie stabilizacja zachodzi tylko wtedy, gdy Uwe>Uwy więc gdyby odwołać się do ogrodnictwa to jest to bardziej "przycinanie" żywopłotu.

2. Każdy stabilizator (liniowy - bo o takich teraz mówimy) ma swoją charakterystyczną cechę związaną z różnicą napięć Uwe-Uwy, tzw. drop-out. Na takim układzie napięcie wejściowe musi mieć pewien zapas względem wyjścia. Jest to bezwzględnie związane z samą konstrukcją stabilizatora a wymagana wielkość drop-outu zależy od topologii układu czyli tego z jakich tranzystorów i jak połączonych jest to w środku zrobione. Warto o tym poczytać żeby mieć jakieś pojęcie bo wtedy lepiej rozumie się ograniczenia i parametry eksploatacyjne stabilizatorów. Ogólnie jest tak, że musi być w środku jakiś element regulacyjny - zwykle jest to duży tranzystor (w sensie struktury krzemowej jest po prostu ogromny, np. 1000 razy większy niż reszta tranzystorów), przez który przepływa cały prąd obciążenia. Tranzystor ten włączony jest szeregowo między wejście a wyjście. Nie chcę teraz wnikać w szczegóły czy jest to npn czy pnp i jak jest sterowany - dość, że jego baza dostaje prąd z bloku tzw. wzmacniacza błędu. To ten fragment zapewnia ciągłe porównywanie napięcia wyjściowego z jakimś zadanym. Jeżeli na wyjściu jest za mało, tranzystor jest otwierany bardziej (dostaje więcej prądu w bazę), gdy za dużo - jest przytykany czyli prądu w bazie ma mniej. Jak łatwo się domyślić, ten główny tranzystor też może cierpieć na nasycenie. Jeżeli jego Uce (czyli de facto różnica między Uwe a Uwy) za bardzo spadnie, więcej prądu Ic już nie popłynie a ten prąd to przecież nic innego jak prąd wyjściowy stabilizatora. Gdy "głodzimy" stabilizator dając za mały drop-out, stabilizacja się pogarsza i napięcie wyjściowe spada. No i teraz, w zależności od tego w jaki sposób ten główny tranzystor jest włączony, jak sterowany (jak jest wypracowywany jego Ib) i jak generalnie wygląda schemat, minimalny spadek może być taki jak w 7805 (ok. 2V) a może być taki jak nowoczesnych układach (tzw. low drop-out) na poziomie 300 a nawet 50mV. Dla danej konstrukcji minimalny spadek zależy też od prądu. Skoro wiesz już coś o tranzystorach to zapewne domyślasz się, że inne będzie minimalne napięcie Uce (przy którym zaczyna się nasycenie) dla prądu 50mA a inne dla 1A. Gdy stabilizatorowi brakuje różnicy Uwe-Uwy zaczyna się coraz bardziej "starać". W starych konstrukcjach zwykle wiązało się to ze zwiększonym poborem prądu z wejścia. Jest to oczywiste gdy weźmie się pod uwagę fakt, że prąd bazy głównego tranzystora właśnie stamtąd pochodzi. To jedyne zasilanie ukłądu. Tak więc wzmacniacz błędu dawał informację, że z wyjściem dzieje się coś niedobrego bo Uwy spada. No więc zwiększamy prąd bazy. Trochę sie poprawiło, ale wzmacniacz błędu "nie wiedział", że główny tranzystor "głoduje" i jest bliski nasycenia. Jego wzmocnienie gwałtownie spadało (bo już nie działało Ic=β*Ib) więc prądu bazy trzeba było lawinowo coraz więcej. I z typowego prądu zasilanie np. 5mA który normalnie był przez stabilizator pobierany robiło się 100mA bezsensownie pompowane gdzieś tam w bazę wewnętrznego tranzystora. To było wielką wadą szczególnie stabilizatorów klasy low-drop poprzednich generacji. Umiały pracować przy różnicy nawet do 200-300mV ale kosztem dużych strat mocy. 7805 nie jest taki, choć nie ma tu reguły. To tak stary i rozpowszechniony układ, że każdy jego producent już dawno opracował sobie własną strukturę. Podsumowując: od spadku Uwe stabilizator się nie popsuje. Po prostu od pewnego napięcia wyjście przestaje być stabilizowane i spada wraz z Uwe. Z ciekawości możesz zmierzyć prąd Iwe Twojej sztuki 7805 (obciążonej np. opornikiem 22Ω) i zobaczyć co się dzieje w zakresie Uwe od 9 do 5V.

1. O dynamice układu następnym razem

EDIT:

Ad.2. Prąd pobierany przez sam stabilizator płynie przez jego pin GND do masy. Jeżeli tam włączysz miliamperomierz to wprost zobaczysz ile prądu pobierają wszystkie układy stablizatora razem wzięte. Ten prąd (tzw. ground current) jest często kluczowym paramterem w układach bateryjnych. Co z tego, że stabilizator ma mały dropout i pozwala na wyssanie baterii prawie do końca, skoro sam pobiera dużo prądu? Tak więc prace idą tu w kierunku zmniejszania tego minimalnego spadku przy jednoczesnym zmniejszaniu pobieranego prądu. Na jednym biegunie są 30-letnie(?) układy typu 7805 pobierające kilka(naście) mA i wymagające różnicy 1.5-2V (przy 1A) a na drugim są scalaki zadowalające się spadkiem 50-100mV i pobierające przy tym 10uA. Oczywiście coś za coś. 7805 kupisz w każdym kiosku z gazetami za 50gr, te drugie kosztują 5-10zł i mają inne "ciekawe" cechy. No le rzadko tak hest, żeby wszyscy jednocześnie byli zadowoleni... Akurat rodzina układów do zarządzania mocą (power management) w skład której wchodzą stablizatory napięcia jest niesamowicie bogata. Masz wielkie i małe obudowy - co wiąże się bezpośrednio z mocą wydzielaną wpostaci ciepła - to główna wada "wbudowana" w ideę stabilizacji liniowej. Masz zwykłe i low-dropout. Masz stałe (ustalone w fabryce) i ustawiane napiecia wyjściowe. Masz wbudowane lub ustawiane ograniczenia prądowe. Masz stabilizatory wyłączalne (specjalne wejście wyłącza napięcie wyjściowe odpowiednim stanem logicznym) i pracujące ciągle. Przykłądem dość uniwersalnej (a jednocześnie raczej starej więc chyba taniej) konstrukcji jest "dziadek" L200 od ST. Ma zewnętrznie ustawiane napięcie i ograniczenie prądowe, stosunkowo duży prąd itd. Do low-drop zaliczamy już 1117, któremu spada o ile pamiętam ponad 1V przy pełnym prądzie (800mA?). Ale znacznie lepsza będzie pod tym względem popularna rodzina MIC29xxx (np. 29301). Tam możesz oczekiwać drop-outu na poziomie 100mV dla 100mA i 500mV przy 3A(!). Plus opcji z wyłączaniem napięcia czy ustawianiem go własnym dzielnikiem. No dobra, koniec przynudzania.

[gawroon7]

Super, dzięki wielkie za pomoc. Chciałem sprawdzić jak się zachowuje gdy daję mu Uwe w zakresie 5-9, ale napotkałem problem z którym potrzebuję pomocy. Nie bardzo rozumiem jak mogę analizować taki układ, a przez to nie wiem jak wyjaśnić pewne rzeczy.

Mianowicie co się dzieje:

Montuję sobie potencjometr, ustawiam go tak ,aby mieć na wyjściu 7,5V.

Następnie wpinam stabilizator napięcia i..tutaj dzieją się cudy - na wyjściu z potencjometru mam już 5,41V. (Przez co oczywiście stabilizator niedomaga). Dlaczego tak się dzieje?

EDIT: o, teraz wpiąłem z kondensatorami i zadziałało jak powinno. Ale za moment znowu nie. O co chodzi? Gdzieś wyczytalem, że to 'wzbudzenie', ale co konkretnie się dzieje i jak temu zapobiec? Bez tego wyjaśnienia tego, kiedy losowo działa lub nie, nie jestem w stanie pomierzyć pobieranego prądu itd., bo układ mi nie działa jak chcę :/

A kolejne pytanie - Czy te kondensatory są tak krytyczne, jak powiedzmy dioda zabezpieczająca przy układach z cewkami czy jak?

[Chumanista]

Pomyśl jak działa dzielnik napięcia i co się dzieje jak dodasz kolejny rezystor (obciążenie) równolegle do dolnego.

[SilentStorm]

A ja mam takie pytanie... Jak obliczyć jaką wartość ma prąd obciążający baterie? Czy stabilizator pełni tu rolę swoistego "opornika" a właściwie układu, który wpływa na tą wartość?

[MirekCz]

Stabilizator liniowy tylko obniża napięcie i sam z siebie nie pobiera dużego prądu. Z grubsza prąd wejściowy == prądowi wyjściowemu. Dobre LDO pobierają < 100uA, a takie najprostsze kilkanaście mA ( oczywiście to też zależy od prądu ) - patrz na parametr "Input Quiescent Current" dla pobieranego przez układ zasilany prądu.

Jak interesuje Ciebie uzyskanie większego natężenia prądu po obniżeniu napięcia to potrzebujesz przetwornicy DC/DC. Użycie przetwornicy ma jednak głównie sens przy dużej obniżce napięcia ( np. z 10V do 3V gdzie "7V" idzie w ciepło )

[SilentStorm]

Dziękuję serdecznie Trochę mi się to rozjaśniło.

[piter161]

Witam.

Czy stabilizator 7805ACV nada się do zrobienia ładowarki do telefonu na 5V? Miał by stabilizować napięcie z gniazda zapalniczki samochodowej. Na ładowarce sieciowej napisane jest 5.0V 0,7A. Czy trzeba będzie ograniczyć prąd ładowania czy komórka pobierze sobie tego prądu ile będzie potrzebowała?

Z góry dziękuję za pomoc.

[Treker (Damian Szymański)]

piter161, można wykorzystać stabilizator, ale przy 12V zasilania układ będzie się dość mocno grzał. Podany prąd np. 0.7A, to prąd maksymalny, jaki można pobrać z ładowarki, a nie informacja jaki prąd będzie płynął. Nie trzeba nic ograniczać. Lepiej do takiej ładowarki byłoby zastosować odpowiednią przetwornicę. Przykład z ładowaniem telefonu był opisany tutaj: Kurs elektroniki II – #10 – przetwornice impulsowe

[piter161]

Dziękuje za szybką odpowiedź. Akurat w domu mam tylko stabilizator 7805 i przetwornica step-down LM2596 tylko, że ona ma regulowane napięcie na wyjściu. I tutaj pytanie gdy ustawie sobie 5V na wyjściu gdy na wejściu będzie 11V to czy te 5V będzie na wyjściu gdy na wejściu będzie 14V?

[Treker (Damian Szymański)]

piter161, najszybciej odpowiedź w takiej sytuacji znajdziesz w nocie katalogowej, np. tutaj: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf

Zastanów się też, czy dodatkowe elementy nie będą wprowadzać zbędnego zamieszania. Może warto zainwestować 50gr w odpowiedni układ ?

[MirekCz]

Piter:

Tak, takie jest założenie przetwornicy step-down. O ile napięcie wejściowe będzie w zakresie scalaka jak i innych komponentów to napięcie wyjściowe będzie ok.

Jak chcesz mieć rozsądne parametry pracy trzeba dobrze dobrać komponenty - w nocie katalogowej masz wzory itd.

[piter161]

Panowie przepraszam za zamieszanie, posiadam moduł z LM2596 regulowany. Jeśli to jest moduł to nic więcej nie będzie potrzeba gdy już ustawię to napięcie na 5V. Zgadza się? Na płytce są kondensatory, cewka i rezystory.

[Treker (Damian Szymański)]

piter161, tak