Stabilizátor napětí

Stabilizátor je elektrické zapojení diskrétních součástek nebo elektrotechnická součástka na principu integrovaného obvodu, která umožňuje stabilizovat výstupní napětí nebo proud při změnách výstupního proudu, vstupního napětí a teploty okolí.

Na jiných veličinách není obvykle hodnota výstupního napětí závislá, pokud ano, je třeba sledovat i takovéto vlivy (např. stárnutí součástek, vliv elektromagnetického rušení apod.). Kromě stabilizačních účinků (kterými je míněna regulace na konstantní hodnotu) každý typ stabilizátoru více či méně snižuje střídavou složku výstupního napětí (zvlnění) a pracuje tedy jako filtr.

Rozdělení stabilizátorů

Podle principu funkce se stabilizátory dělí na několik skupin:

v sériovém nebo paralelním zapojení
parametrické – bez zpětné vazby nebo se zpětnovazební smyčkou
lineární nebo spínané stabilizátory
podle stabilizace polarity napětí kladné/záporné
stabilizátory proudu, stabilizátory napětí

Stabilizátory napětí

Úkolem stabilizátoru napětí je udržovat konstantní napětí nebo v povolené toleranci na výstupu při změně zatěžovacího proudu (při změně $R_{Z}$ ) nebo při změně (kolísání) vstupního napětí.^[1] Dělí se na dvě skupiny - parametrické a zpětnovazební (degenerativní).

Lineární parametrický stabilizátor

Využívají parametrů součástek, nejčastěji velmi strmého průběhu volt-ampérové (VA) charakteristiky zenerovy diody nebo lavinové diody v závěrném směru. Nevýhoda je, že zenerovou diodou musí protékat poměrně velký proud. Proud protékající zátěží přes odpor R snižuje se účinnost $\eta$ . Výhodou je jednoduché zapojení a omezení zkratového proudu (odporem R).

Zdokonalený stabilizátor využívá stejného principu funkce zenerovy diody. Pro regulaci je však použit regulační tranzistor zapojený jako emitorový sledovač.

Lineární zpětnovazební stabilizátor

Pracují na principu porovnávání žádaného (referenčního) a skutečného napětí. Jako akční prvek se používá tranzistor v zapojení emitorového sledovače. Stupeň otevření tranzistoru je řízen proudem báze, který odpovídá odchylce od požadovaného napětí.

Operační zesilovač odchylky zesiluje rozdíl mezi referenčním napětím a částí výstupního napětí. Výstup zesilovače odchylky budí sériový regulační tranzistor, sníží-li se výstupu napětí, například při vyšší zátěži, zvýší se regulační odchylka, regulační tranzistor je buzen větším napětím. Jeho vnitřní odpor se zmenší a napětí na výstupu se zvětší.

Rovnice podle 2. Kirchhoffova zákona: $\ U_{1}=U_{T}+U_{2}$ ,

U₁ … vstupní nestabilizované napětí
U_T … napětí na regulačním tranzistoru
U₂ … výstupní stabilizované napětí

Popis obvodu

T₁ výkonový regulační tranzistor v zapojení emitorového sledovače; R₁ budící odpor báze T₁; R₂, ZD zdroj referenčního napětí; R₃, R₄ odporový dělič stabilizovaného napětí zpětné vazby; T₂ zesilovač odchylky; R_Z zátěž stabilizátoru.

Funkce

Při poklesu výstupního napětí U₂ vlivem zmenšení odporové zátěže R_Z a nebo poklesem vstupního napětí U₁ dojde k poklesu napětí báze tranzistoru T₂ tvořeného na děliči R₃a R₄. Protože napětí na emitoru T₂, tvořené R₂ a ZD je konstantní, dojde k přivření tranzistoru T₂. Protože odpor R₁, tranzistor T₂ a ZD tvoří odporový dělič, dojde ke zvýšení napětí báze T₁ (též kolektorového napětí T₂). Bází T₁ začne protékat větší proud, který způsobí větší otevření tranzistoru T₁, tím se sníží jeho odpor; respektive se sníží napětí mezi jeho kolektorem a emitorem a výstupní napětí U₂ se zvýší.

Při zvýšení výstupního napětí U₂ vlivem zvětšení odporové zátěže R_Z a nebo zvýšením vstupního napětí U₁ je situace opačná, dojde o většímu otevření tranzistoru T₂, což sníží napětí na bázi T₁ a regulační tranzistor se přivře, tím poklesne vstupní napětí U₂.

V limitním případě, kdy odpor zátěže R_Z=0 (například nabíjení kondenzátoru po zapnutí) je i výstupní napětí U₂=0. V tomto případě je tranzistor T₂ zcela uzavřen a na bázi tranzistoru T₁ je plné vstupní napětí U₁. Proud báze tranzistoru T₁ je omezen pouze odporem R₁. Při tomto, dlouhodobém, stavu může dojít k poškození regulačního tranzistoru.

Spínaný zpětnovazební stabilizátor

Popis

Spínaný zpětnovazební stabilizátor pracuje na podobném principu jako lineární se zpětnou vazbou. Vzájemně se liší způsobem řízení tranzistoru T₁. Zatímco u spojitého stabilizátoru je stupeň otevření tranzistoru T₁ dán odchylkou napětí, u spínaného stabilizátoru přechází tranzistor T₁ pouze mezi stavy sepnuto/rozepnuto. Šířka impulsu spínacího tranzistoru je potom úměrná rozdílu mezi skutečným a žádaným stabilizovaným napětím.

$\ t_{on}=f(U_{ref}-U_{2})$ $\ [s;V]$

Pro generování spínacích impulsů je používán princip pulsně šířková modulace (PWM), kdy parametrem je napěťová odchylka. Přesnost stabilizovaného napětí v uvedeném zapojení závisí na hysterezi komparátoru. Čím menší bude hystereze, tím častěji bude tranzistor T₁ spínán a výstupní napětí bude stabilnější. Při vysoké frekvenci spínání tranzistoru může dojít k jeho „pískání“. Spínaný stabilizátor pro svoji funkci nutně potřebuje trvale připojený kondenzátor, ve kterém se hromadí energie dodávaná spínacím tranzistorem, a působí jako filtr.

Funkce

Pokud pracuje zdroj v ustáleném režimu, je tranzistor T₁ spínán střídou (poměr zapnutí/vypnutí), která odpovídá potřebě dodávaného výkonu do zátěže R_Z. Pokud dojde k poklesu napětí U₂ vlivem větší zátěže, dojde v PWM generátoru ke změně střídy tak, že se prodlouží doba sepnutí tranzistoru T₁ na úkor jeho rozepnutí. Tím je kondenzátor na výstupu nabíjen delší dobu a napětí vzroste. V opačném případě, kdy výstupní napětí je vyšší než požadované, je obvodem PWM generována kratší doba sepnutí tranzistoru T₁ a delší doba jeho rozepnutí. Tím je kondenzátor na výstupu nabíjen kratší dobu a napětí na něm poklesne.

V limitním případě, kdy odpor zátěže R_Z=0 je situace stejná jako výše.

Poznámka: Spínaný stabilizátor není shodný se spínaným zdrojem, například nepřináší rozměrovou úsporu transformátoru.

Ztrátový výkon

Ztrátový výkon je výkon, který je bez užitku mařen při stabilizaci napětí a přeměňuje se na odpadní teplo. S tímto ztrátovým výkonem je nutno počítat již při návrhu a volbě stabilizátoru.

Ztrátový výkon lineárního stabilizátoru:

$\ P_{max}=(U_{1max}-U_{2min})\cdot I_{max}$ $\ [W;V,A]$

Ztrátový výkon spínaného stabilizátoru je dán pouze ztrátovým výkonem jednotlivých součástek a ztrátovým výkonem spínaném tranzistoru, který je menší než na regulačním tranzistoru; ztrátový výkon stabilizátoru:

$\ P_{max}=P_{DS}+U_{T1CE}\cdot I_{max}$ $\ [W;W,V,A]$

Integrované stabilizátory

Integrované stabilizátory řady 78xx jsou vytvořeny na principu integrovaného obvodu uzavřené v plastovém nebo kovovém pouzdru. U stabilizátorů malých výkonů není potřeba chlazení ale zpravidla je požadována montáž na vhodný podklad, který podle ztrátového výkonu zajistí odvod ztrátového tepla. Stabilizátory v plastovém pouzdru vyžadující chlazení mají z výroby připravenu chladicí plochu pro montáž na chladič.

Značení stabilizátorů

Kódové značení stabilizátorů je dle šablony: 7XYU , ovšem výrobci občas nerespektují značení a zaměňují pořadí maximálního proudu a prvního dvojčíslí.

napětí: 7X … 78 – kladné stabilizované napětí / 79 – záporné stabilizované napětí
proud: Y … L – 0,1 A / nic – 1,5 A / S – 2 A / T – 3 A /
veličina U … U = napětí

Příklady:

78T12 = kladný stabilizátor pro proud 3 A a napětí 12 V
7806 = kladný stabilizátor pro proud 1,5 A a napětí 6 V

Odkazy

Reference

↑ NEČÁSEK, Sláva. Radiotechnika do kapsy. Praha 1: SNTL, 1981. Kapitola Stabilizátory napětí, s. 214.

Související články

Externí odkazy

(česky) Stabilizátor napětí 78xx - HobbyElektro.eu
Obrázky, zvuky či videa k tématu Stabilizátor napětí na Wikimedia Commons

[Radio-1] NEČÁSEK, Sláva. Radiotechnika do kapsy. Praha 1: SNTL, 1981. Kapitola Stabilizátory napětí, s. 214.

[1]