Sériový stabilizátor napětí

Z PanWiki

V elektronických obvodech jsou často používány takzvané tříbodové stabilizátory napětí. Jsou to velmi praktické obvody vyráběné již delší dobu mnoha výrobci. Jsou označovány skupinou znaků s významem lineární obvod doplněnou čtyřmi číslicemi 78XX, kde XX označuje jmenovitou hodnotu výstupního napětí.

Obsah 1 Základní princip tříbodových stabilizátorů 2 Základní aplikace tříbodových stabilizátorů 3 Funkce tříbodového stabilizátoru 4 Analýza struktury tříbodového stabilizátoru

Základní princip tříbodových stabilizátorů

Lineární tříbodové stabilizátory jsou v principu sériovými stabilizátory. To znamená, že do série se zátěží je zapojen výkonový regulační prvek, jehož odpor je řízen odchylkou výstupního napětí od napětí na referenčním obvodu. Vývod "IN" je společným přívodem sériového regulačního prvku a napájení regulačního obvodu. Vývod "OUT" je výstupem sériového regulačního prvku a vstupem regulačního obvodu pro napětí na výstupu. Vývod "GND" je vstupem pro připojení na uzel se vztažnou hodnotou napětí. Zjednodušené blokové schema je uvedeno na obr.1

Z tohoto blokového schématu je zřejmé, že ke správné činnosti musí mít regulační výkonový prvek k dispozici rozdíl potenciálu na vstupu a na výstupu. Rozhodující část výkonu, který se v něm tráví a který musí být odváděn z obvodu v podobě tepla je dána součinem tohoto rozdílu potenciálů a výstupního proudu. Pro součástky řady 78XX je většinou tento rozdíl potenciálů požadován minimálně 2V. - viz např.: Datasheet obvodů řady 78XX

Základní aplikace tříbodových stabilizátorů

Z tohoto zjednodušeného blokového schématu vychází návrh nejčastěji používaných aplikací. Základní aplikační zapojení je na obr.2.

Kondenzátory 33 nF brání rozkmitání stabilizátoru. Jejich hodnota není kritická, vhodným provedením jsou keramické kondenzátory. Pro správnou činnost je nutné, aby byly připojeny co nejkratšími přívody k vývodům vlastního stabilizátoru. V tomto základním zapojení stabilizátor dodává výstupní napětí jmenovité hodnoty. Maximální proud je určen jmenovitou hodnotou dovoleného výstupního proudu stabilizátoru a oteplením vlivem výkonu tráveného ve stabilizátoru.

Výstupní napětí je možné zvýšit zapojením na obr.3.

Část výstupního stabilizovaného napětí je přičtena k referenčnímu napětí. Tento způsob nastavení výstupního napětí se používá u obvodů řady LM317 (např. LM117, které jsou v podstatě tříbodovým stabilizátorem s výstupním napětím 1,25 V. Výsledné výstupní napětí je rovno:

Proud I₀ je příčný proud protékající vývodem GND stabilizátoru. Při volbě dostatečně malých odporů R₁ a R₂ je možné tento proud zanedbat.

Větší výstupní proud může dodávat do zátěže stabilizátor zapojený podle obr.4.

V tomto zapojení teče do zátěže přes vlastní stabilizátor proud v rozmezí od 0 do hodnoty:. U_P je prahové napětí přechodu báze - emitor tranzistoru. Další zvyšování proudu do zátěže na sebe přebírá tranzistor. Při vhodné hodnotě odporu R_E (např. lze zvolit pro proud do zátěže I = 3A: I_stab = 10 mA; R_E = 68 Ohm)se většina ztrátového výkonu tráví v tranzistoru.

Proud do zátěže již v tomto zapojení není omezen vlastním tříbodovým stabilizátorem. Ochrana proti zkratu se snadno zabezpečí přidáním dalšího tranzistoru - obr.5.

Vzrůstá-li proud zátěží od nuly, teče nejprve pouze přes vlastní stabilizátor. Při dosažení proudu I_stab dosáhne napětí na odporu R_E1 prahového napětí báze-emitor tranzistoru T₁. Tranzistor T₁ převezme další nárůst proudu do zátěže. Začíná narůstat napětí na odporu R_E2. Úbytek napětí na odporu R_E2 musí být kompenzován růstem napětí na odporu R_E1. Nevýhodou tohoto zapojení je tedy nárůst proudu vlastním stabilizátorem, který je k nárůstu proudu zátěží v poměru odporů R_E2 a R_E1. Ve chvíli, kdy dosáhne úbytek napětí na odporu R_E2 hodnoty prahového napětí přechodu báze - emitor tranzistoru T₂ dojde ke snížení napětí na odporu R_E1 a tranzistor T₁ se začíná zavírat. Vlastní stabilizátor není schopen takový proud do zátěže dodávat a dojde k jeho omezení.

Funkce tříbodového stabilizátoru

Skutečný stabilizátor obsahuje ještě další pomocné funkční bloky. Především se jedná o startovací obvod, tepelnou ochranu a přepěťovou ochranu. Regulační obvod se skládá dále z obvodů napěťové reference a zesilovače regulační odchylky. Podrobnější blokové schema je na následujícím obrázku .

Startovací obvod zajišťuje spuštění funkce stabilizátoru po zapnutí zdroje vstupního napětí. U řady 78XX zpravidla tento obvod nenastartuje stabilizátor pokud je na výstupních svorkách zbytkové napětí. Prakticky se tato skutečnost projeví při krátkodobém výpadku síťového napájení, když spotřebič obsahuje větší blokovací kapacity a jeho odběr při poklesu napětí rychle klesá k nule (např. kamera s vnitřním spínaným DC-DC měničem). Obvody tepelné ochrany zajišťují, aby nedošlo ke zničení stabilizátoru dlouhodobým ohřevem. Ochrana je založena na nárůstu klidového proudu tranzistore se vzrůstající teplotou. Přepěťová ochrana vypne výstupní napětí při překročení dovoleného vstupního napětí. Sériový regulační prvek je vybaven obvodem pro omezení výstupního proudu.

Analýza struktury tříbodového stabilizátoru

Sériový stabilizátor je zdokonalením jednoduchého parametrického stabilizátoru s paralelním regulačním prvkem (obr.1). Hlavní nevýhody tohoto zapojení:

- kolísání výstupního napětí vlivem kolísání proudu stabilizačním prvkem při změnách zátěže
- velké výkonové ztráty ve stabilizačním prvku i sériovém rezistoru.

Nevýhody lze eliminovat náhradou sériového odporu regulačním prvkem, který může měnit odpor v závislosti na změnách zátěže tak, aby na výstupu bylo konstantní napětí dané napěťovou referencí. Této představě dobře odpovídá tranzistor zapojený jako emitorový sledovač. V bázi tranzistoru je napěťová reference. Pro tuto referenci představuje tranzistor velký zatěžovací odpor. V emitoru - tj. na výstupu je opakováno napětí reference s malým výstupním odporem. Kolísání výstupního napětí je proto minimální. Základní možné zapojení je na obr.2. Dalšího zlepšení parametrů stabilizátoru dosáhneme, když zabezpečíme, aby stabilizačním prvkem procházel proud o konstantní velikosti. Parametrický stabilizační prvek (Zenerovu diodu) budeme napájet ze zdroje konstantního proudu - obr.3 Menší kolísání výstupního napětí lze dále docílit větším zesílením uvnitř regulační smyčky. Do obvodu doplníme rozdílový zesilovač odchylky výstupního napětí od napětí referenčního - obr.4 . Na dalším obrázku - obr.5 je ekvivalentní zapojení integrovaného obvodu 7806 výrobce National Semiconductor. Ve schématu můžeme nalézt prvky z předchozího rozboru:

- sériový regulační prvek je tvořen tranzistory T16 a T17. Jsou zapojeny jako tzv. Darlingtonovo dvojče. Chovají se dohromady jako jeden tranzistor, jehož zesilovací proudový činitel je dán součinem proudových zesilovacích činitelů obou tranzistorů.
- Tranzistor T15 společně s odporem R11 tvoří omezovač výstupního proudu.
- Zenerova dioda D2, odpor R13 společně s tranzistorem T15 tvoří přepěťovou ochranu. Při dosažení Zenerova napětí D2 se otevře tranzistor T15 a tím se uzavřou tranzistory T16 a T17.
- Tranzistor T11 představuje tepelnou ochranu. Zvýšením teploty čipu se zvyšuje jeho proud C-E a tím dochází k uzavírání tranzistorů T16 a T17.
- Zenerova dioda D1 je napěťovou referencí. Proudový zdroj pro ní tvoří odpor R4.
- Tranzistory T1, T2, T7, T13, T10, T5,a T6 tvoří diferenciální stupeň, který vyhodnocuje rozdíl mezi napětím napěťové reference a výstupním napětím.
- Tranzistory T4 a T3 jsou zesilovačem se společným emitorem osazeným Darlingtonovým dvojčetem. Tento stupeň určuje napěťové zesílení zesilovače regulační odchylky. Kondenzátor C1 je kmitočtovou kompenzací zesilovače. Zajišťuje stabilitu celého obvodu.
- Tranzistory T8 a T9 tvoří proudové zrcadlo, které je pracovními odpory obou stupňů zesilovače. Oběma tranzistory prochází stejný kolektorový proud. Tím je zabezpečena zpětná vazba pro nastavení pracovního bodu a současně je dosaženo vysokého diferenciálního odporu. Správná funkce proudového zrcadla je podmíněna dvojicí naprosto shodných tranzistorů. Toho lze dosáhnout pouze uvnitř monolitického integrovaného obvodu, kde jsou oba tranzistory realizovány stejnými vrstvami a podléhají stejným teplotním a jiným vlivům.
- Tranzistory T12 a T14 společně s odpory R18, R5, R6 a R7 tvoří startovací obvod.
- Odpor R20 je konstruován pro trimování laserem v závěrečné fázi výroby. Tím se hardwarově "programuje" výstupní napětí stabilizátoru.