Lineární stabilizátory Parametrické, diskrétní, integrované třísvorkové

Parametrické paralelní stabilizátory Mezi stabilizátory lze řadit všechny obvody, kte-ré umožňují stabilizovat výstupní napětí nebo proud při změnách: a) výstupního (zatěžovacího) proudu, b) vstupního (obvykle síťového) napětí, c) teploty okolí. Parametrické paralelní stabilizátory Stabilizátor s diodou Stabilizátor se Zenerovou diodou Diferenciální stabilizátor Kaskádní stabilizátor Zvýšení proudu Zenerovou diodou Paralelní stabilizátor s tranzistory Stabilizátor s TL431

Stabilizátor napětí s diodou R1 = (U1 - UF) / I1, SI = dU2 / dI2 = dUF / dIF = Rdyn SU = dU2 / dU1 ≈ Rdyn / R1.

Stabilizátor se Zenerovou diodou SU = dU2 / dU1 = Rdyn / (R1 + Rdyn) St = dU2 / dt = TKUZ

Diferenciální stabilizátor Stabilizátor s posunutým výstupním napětím U2 = UZD1 - UZD2 Stabilizátor s posunutým výstupním napětím

Symetrický stabilizátor napětí Kaskádní stabilizátor Pokud neexistovaly lineární integrované stabilizátory napětí, bylo nutno zvyšovat činitele napěťové stabilizace kaskádním zapojením stabilizátorů se Zenerovými diodami. Obecně takovýto stabilizátor může být i vícestupňový pro dosažení extrémní hodnoty činitele napěťové stabilizace. V praxi se však užíval většinou dvoustupňový. SU = SU1 . SU2

Zvýšení proudu Zenerovou diodou Zapojení se chová jako výkonová Zenerova dioda, pro kterou platí: Ustab = UZ + UBE Vhodný pracovní bod Zenerovy diody leží za kolenem VA cha-rakteristiky již při proudech jednotek mA a nemusí být dos-tatečný pro výkonové tranzis-tory jako proud IB. Posílení tohoto proudu je možné pomocí paralelního odporu R, který upraví velikost proudu IB na: IB = IZ + IR = IZ + UZ / R

Paralelní stabilizátor s tranzistory IE1 = IC1 + IB1, IC1 = IB2 + IR2 IE1 = IC1 + IB1 = IB2 + IR2 + IB1 = IB2 + (IC2 - IB1) + IB1 = IB2 + IC2 = IE2 Předpokládejme, že oba tranzistory, byť opačné vodivosti, jsou svými parametry shodné. Napětí U2 = 1,7 V pro U1 = 12 V a to až do proudu zátěže cca 90 mA. Teplotní součinitel výstupního napětí je záporný o hodnotě okolo -5 mV/K.

Paralelní stabilizátor s TL431 Je to svým vnitřním zapojením třísvorkový regulátor s možností nastavení výstupního napětí pomocí pomocného vstupu, označovaného jako referenční.

U2 = UREF . (R1 + R2) / R2 + IREF . R1, U2 = UREF . (R1 + R2) / R2 . Výstupní napětí parametrického stabilizátoru se nastavuje pomocí odporového děliče pomocí vztahu: U2 = UREF . (R1 + R2) / R2 + IREF . R1, kde UREF = 2,5 [V] je vnitřní referenční napětí obvodu TL431 a doporučená hodnota odporu R1 výrobcem je 10 [k]. Vztah pro malý proud IREF zjednodušujeme obvykle na: U2 = UREF . (R1 + R2) / R2 . Proudové posílení TKU = UREF. U2 /UREF , (např. 51,5 ppm/K pro U2 = 5,6 [V]).

Sériové stabilizátory se ZD U2 = UZD - UBE , U1 = U2 + UCE , IB = IC / h21E , I3 = IB + IZD , R = (U1 - UZD) / I3 , I1 = IC + I3 Podmínky: UCE > (2 ÷ 3)V, UBE (pro Si) = 0,7 V IZD > (2 ÷ 3) mA UCE1 = U1 - U2 , PC1 = UCE1 . IC1 , IB1 = IC1 / h21E , R1 = (U2 - UZD) / (IZD + IB1) , UCE2 = U1 - UBE1 - R1 . (IZD + IB1) , IB2 = IC2 / h21E , R2 = U2 / Id Volíme: IZD > (2 ÷ 3) mA, Id = 1 mA

Sériový stabilizátor s TL431 Obvod TL431 chová jako dokonalá Zenerova dioda s možností nastavení Zenerova napětí, můžeme jej užít ve všech aplikacích, kde bychom užili ZD. Výstupní napětí U2 snímáme děličem R1 a R2 a porovnáváme s referenčním napětím TL431. Volíme-li odpory R1 a R2 tak, aby jejich proud byl mnohem větší, než je vstupní proud do elektrody REF obvodu TL431, pak např. při rovnosti ohmických hodnot R1 = R2 bude výstupní napětí právě dvojnásobné velikosti, než napětí referenční, tj. U2 = 2 . UREF = 2 . 2,5 = 5 V. R3 = (U1 - U2 - UBE) / (IKA + IB) UKA = U2 + UBE , UBE = 0,7 [V] IKAmin >1 [mA], UREF = 2.5 [V], IKAmax < 150 [mA], IBmax = 149 [mA] a pro h21E = 100 je ICmax = 14,9 [A]

Sériové stabilizátory jen s T Referenčním členem je přechod BE2: R = U2 / Id , IE1 = I2 + Id , IB1 = IC1 / h21E1 , UCE2 = U2 + UBE1, R1 = (U1 - UCE2) / (IB1 + IC2), IB2 = IC2 / h21E2 , Uo = U2 / 2 , R2 = (Uo - UBE2) / IB2 Stabilizátor malého napětí 1,15 [V] Při poklesu U2 poklesne UBE3, čímž dojde k uzavření T3 a vzrůstu UCE3 = UBE2. T2 se tedy bude více otevírat a UCE2 klesá. Tím ovšem roste napětí UEB1 tranzistoru PNP, který se více otevře, takže UEC1 klesá a U2 opět roste.

Sériový stabilizovaný zdroj napětí s operačním zesilovačem U1 = U2 + UCE , IB = IC / h21E , U3 = U2 + UBE + UR3 , R3 = UR3 / IB , R1 = (U1 - UZD) / IZD , IZD ≈ 2 [mA], UZD volíme ≈ 6 [V] pro αTKUZD = min., Id volíme 1 [mA] , R5 = U2 / Id , R2 a R4 volíme např. 10 [kΩ] Operační zesilovač volíme v jakéhokoliv typu, podstatné je však vždy zkontrolovat v katalogu, zda je schopen pracovat s nesymetrickým napájecím napětím dané velikosti. Volíme-li v našem případě na místě OZ např. typ 741, lze z katalogu zjistit, že minimální hodnota napájecího napětí UCC je rovna ± 3 [V], t.j. při nesymetrickém napájení U7-4 = 6 [V].

LINEÁRNÍ TŘÍSVORKOVÉ STABILIZÁTORY NAPĚTÍ Stabilizátor s pevnou kladnou hodnotou výstupního napětí: Poslední dvojčíslí xx určuje výstupní napětí zdroje, např. 7805 znamená UO = 5 V. Bezindukční kondenzátor CIN = 1 [F] se užije v případě, kdy je nabíjecí kondenzátor napájecího zdroje vzdálen více než (5 - 10) [cm] od vlastního stabilizátoru, bezindukční kondenzátor Co zlepšuje impulzní odezvu zdroje na skoky zatěžovacího proudu. Oba kondenzátory se umisťují fyzicky co nejblíže vývodům IO. Střídavá složka UIN by měla být do 10%, obvod má činitel potlačení střídavé složky o kmitočtu 100 Hz až 70 dB (funguje jako velmi účinný filtr i bez velké hodnoty kapacity Co).

Stabilizátor s pevnou zápornou hodnotou výstupního napětí Vše shodné s kladným stabilizátorem, jenom společná zemní svorka je kladná. Společným vodičem teče u všech třísvorkových stabilizátorů proud IAdj = IQ = proud vlastní spotřeby IO. Zapojení pro získání symetrického (nebo i nesymetrického) výstupního napětí, např. pro napájení OZ. POZOR!!! Na rozdíl od podobného zapojení se ZD zde musí být (vzhledem k rozdílným hodnotám proudů IQ obou obvodů) připojen střední vstupní zemní vodič napájení.

Změna hodnoty výstupního napětí Proud IQ u obvodů řady 78xx a 79xx je značně proměnný do cca 5 mA, proud IQ obvodů řady LM317 je okolo 50 μA, proud IQ měříme voltmetrem na malém odporu, ne ampérmetrem, do vývodu IQ lze tedy zařazovat součástky pouze s charakterem zdroje napětí (ZD), v žádném případě odpor!!!! je-li IZDmin okolo 2 mA při IQ = 50 μA, je nutno paralelně se ZD zařadit odpor, výstupní napětí U2 = Uxx + UZD, vstupní napětí U1 > U2 + cca 3 V, dioda D2 chrání IO při zkratu na vstupu proti přetížení napětím U2.

Třísvorkový stabilizátor s obvodem TL431 Třísvorkový integrovaný stabilizátor napětí LM317 stabilizuje napětí 1,25 V mezi výstupní svorkou a svorkou ADJUST (na obrázku spodní svorka). Výstupní napětí zdroje může tedy být minimálně (nebo více): U2min = UREF317 + UREF431 = 1,25 + 2,5 = 3,75 V. Hodnotou odporu R3 musíme zabezpe-čit tak velký proud IR3, aby společně s proudem IQ = IADJ = 50 A dosáhl hodnoty, nezbytně nutné pro činnost obvodu TL431, tj. hodnoty IKAmin = 400 A, volíme IR3 = 1 [mA] a na proud IQ nespoléháme. U2 = UREF431 . (R1 + R2) / R2 ….. (UR1 > UREF317)

Změna hodnoty výstupního napětí odporovým děličem Stabilizátor se vyznačuje extémě malým proudem IQ tekoucím společnou svorkou Q. Na čipu jsou sdruženy ochrany proti proudovému a tepelnému přetížení. Odpor R1 doporučuje výrobce o hodnotě 240 Ω, ale tato hodnota není kritická. Hodnota referenčního napětí je 1,25 V a toto napětí je na odporu R1. Výstupní napětí má přibližně hodnotu U2 = Uref . (R1 + R2) / R1. Je-li proud děličem Id >> IQ, pak platí vztah add 3).

UIN – UOUT = UBET1 + UBET2 + UCESATT3 Klasické zapojení regulátoru s NPN tranzistorem T1 (velký úbytek napětí) IOUTmax ≈ 10A UIN – UOUT > (1,7 ÷ 2,5) V Minimální úbytek napětí mezi vstupem a výstupem je: UIN – UOUT = UBET1 + UBET2 + UCESATT3

Zapojení LDO regulátoru s PNP tranzistorem T1 v saturaci IOUTmax ≈ 1A UIN – UOUT > (0,1 ÷ 0,7) V Minimální úbytek napětí mezi vstupem a výstupem je: UIN – UOUT = UCESATT1

UIN – UOUT = UBE1 +UCESATT2 Zapojení QUASI-LDO regulátoru s NPN tranzistorem T1 a tranzistorem PNP T2 v saturaci IOUTmax ≈ 7,5A UIN – UOUT > (0,9 ÷ 1,5) V Minimální úbytek napětí mezi vstupem a výstupem je: UIN – UOUT = UBE1 +UCESATT2

Současná špička třísvorkových stabilizátorů Rozsah vstupního napětí: UIN = (3 ÷ 80) V Vlastní spotřeba: IQ = 7 μA Nízký úbytek napětí: UIN – UOUT = 350 mV Výstupní proud: IOUT = 20 mA Výstupní napětí: UOUT =( 1,22 ÷ 60) V Není potřebná ochranná dioda. Ochrana proti přepólování vstupního zdroje. Tepelná pojistka. fa Linear Technology 27.6.2006

Zatěžovací charakteristika třísvorkových regulátorů Na sériovém odporu se snímá úbytek napětí, zesiluje se a porovnává s proudovou referencí. Z charakteristiky zdroje konstantního napětí stabilizátor nemusí přecházet do chaakteristiky zdroje proudu ale charakteristika se může vracet k nule (omezení proudu).

Bezpečná pracovní plocha SOA A = omezení plochou výkonového tranzistoru ve stabilizátoru B = omezení tepelným přetížením (chlazení) C = omezení druhým průrazem výkonového tranzistoru omezení maximálním napětím UCEM

pro napětí menší než obvod nepracuje (reference) Pracovní oblast stabilizátoru LM317 pro napětí menší než obvod nepracuje (reference) parametry uváděné v katalogu jsou výrob-cem testovány jen v určité části SOA

Proudové posílení výstupu V zapojení je využito té skutečnosti, že proud 0,7 [A] vtékající do integrovaného obvodu 7805 vytváří na vhodně zvolené hodnotě odporu R1 úbytek napětí UBE právě tak velký, aby došlo k otevření tranzistoru a ten převzal zbývající část proudu zátěže (nad 0,7 A). Tranzistor T1 zabezpečuje omezení velikosti proudu tranzistorem T2 a tak jej chrání proti proudovému a výkonovému přetížení v případě zkratu nebo nadměrného odběru proudu na výstupu.

Možnost zvýšení vstupního napětí UIN78xx = UZD – UBE > Uo + 3 V Jestliže má vstupní napětí UIN vyšší hodnotu, než je povolené vstupní napětí třísvorkového stabilizátoru napětí UIN(MAX) (obvykle 35 [V]), je nutno užít (obvykle tranzistorový) před-stabilizátor vstupního napětí UIN78xx integrovaného stabilizátoru. R1 = (UIN - UZD) / IC . h21ET1

Proudové omezení třísvorkových stabilizátorů napětí Externího tranzistoru je možno užít i pro omezení proudu třísvorkovým stabilizátorem na hodnotu nižší, než je omezení vnitřní. Do odporového děliče R1 - R2 vložíme malý snímací odpor, na kterém snímáme velikost napětí, odpovídající procházejícímu proudu zátěže. Ohmická hodnota tohoto odporu je dána velikostí napětí UBE tranzistoru T1 pro jeho otevírání procházejícím proudem zátěže: UOUT = UZ = UREF . (R1 + R2) / R1 R3 = UBE / (Id + IZ)

Stabilizátor napětí typu 723 Uo > Uref = 7,15 V R3 = R1 // R2 …….Id volíme 1 mA, Cref volíme 10 nF ÷ 10 μF, Cc kompenzuje fázový přenos RSC = UBE / IOUT R1 = R2 // R3……. Id je doporučeno 1 mA, Cref volíme 10 nF ÷ 10 μF, Cc kompenzuje fázový přenos Uo < Uref = 7,15 V