Stabilizátory napětí a proudu Stabilizátory jsou obvody, které automaticky vyrovnávají napěťové nebo proudové změny na zátěži. Používají se tam, kde požadujeme minimální zvlnění nebo požadujeme-li konstantní napětí (proud) na zátěži při kolísajícím napětí (proudu) zdroje. Stabilizátory napětí jsou zásadně dvou typů: parametrické stabilizátory a stabilizátory se zpětnou vazbou (degenerativní). Parametrické stabilizátory využívají vhodného průběhu voltampérových charakteristik některých součástek, stabilizátory se zpětnou vazbou obsahují regulační součástku, která je ovládána odchylkou výstupního napětí od hodnoty referenčního napětí. Základními veličinami stabilizátoru jsou činitel stabilizace, udávající kolikrát stabilizátor zmenšuje poměrné kolísání napětí K = U 1 U 1 U 2 U 2 = U 1 U 2 U 2 U 1 při R z = kost. kde U 1 je napětí na vstupu stabilizátoru, U 2 napětí na výstupu stabilizátoru a vnitřní odpor stabilizátoru R T st = U 2 I 2 při U 1 = kost. Z povahy požitých veličin plyne, že činitel stabilizace má být pokud možno co největší, vnitřní odpor naopak co nejmenší. Parametrické stabilizátory napětí se používají pro zatěžovací proudy maximálně desítky ma. Pro stabilizaci několik desítek voltů slouží doutnavka, pro stabilizaci jednotek až desítek voltů Zenerova dioda, pro jednotky voltů obyčejné diody v propustném směru. Rezistor R s určuje polohu pracovního bodu P. Pro správnou činnost stabilizátoru je třeba zajistit, aby zatěžovací proud I 2 byl několikrát menší než proud I z procházející diodou, čímž má odpor R z a jeho změny minimální vliv na velikost výstupního napětí. Při změně vstupního napětí U 1 dojde i k posunu pracovního bodu, ale změna výstupního napětí U 2 bude malá, a bude tím menší čím větší bude odpor R s. Je třeba dbát na to, aby pracovní bod neopustil omezenou oblast. Činitel stabilizace je okolo 10. Nevýhodou je právě malý činitel stabilizace, nízká zatížitelnost, malá energetická účinnost. Blokové schéma zpětnovazebního stabilizátoru napětí je na obr. 2. Regulační součástka je ovládána odchylkou výstupního napětí od napětí referenčního. Příklady zapojení zpětnovazebního stabilizátoru napětí z diskrétních součástek jsou na obr. 3 a na obr. 4. Jejich popis je v [MF81]. Dnes se se zpětnovazebními stabilizátory setkáme téměř výhradně v podobě integrovaných obvodů. Dříve rozšířený a preferovaný obvod 723 je dnes střídán stabilizátory 78Lxx pro kladná napětí proti zemi a odběrem do 100 ma, 78xx s kladným výstupním napětím proti zemi a odběrem do 1 A, 78Sxx s kladným výstupním napětím proti zemi a odběrem do 2 A a 79Lxx, 79xx, 79Sxx pro záporná napětí proti zemi. Údaj xx označuje pevné výstupní napětí stabilizátoru. Dále se můžeme setkat se stabilizátory s regulovatelným výstupním napětí, jakými jsou obvody LM 317L, LM 317, LM 317K (s nastavitelným kladným napětím 1
od 1,25 V do 37 V a odběrem 100 ma, 1,5 A, 2,2 A), LM 337 (pro záporná napětí) nebo obvod L 200 umožňující regulovat jak výstupní stabilizované napětí, tak i výstupní proud. Informace o těchto obvodech jsou např. v [TE88] a [GM95]. Všechny tyto obvody mají zabudovanou tepelnou a zkratovou pojistku, jejich zapojení vyžadují žádné nebo minimum externích součástek. Jedinou jejich nevýhodou je velký úbytek na nich. Proto jsou vyvíjeny nové tzv. LOW DROP stabilizátory s nízkým úbytkem napětí (LM 2930A, L 4812CV, L 4921, atd.).!"#$%& Obr. 1. Příklady zapojení parametrických stabilizátorů napětí 2
Obr. 2. Obr. 3. Obr. 4. Obr. 5. Blokové schéma zpětnovazebního stabilizátoru napětí (RZ je rozdílový zesilovač) Příklad zapojení zpětnovazebního stabilizátoru napětí z diskrétních součástek Použití operačního zesilovače v zapojení zpětnovazebního stabilizátoru napětí Blokové schéma zapojení integrovaného obvodu 723 3
6. Zapojení integrovaného obvodu 723 pro stabilizaci napětí Obr. Narozdíl od stabilizátorů napětí, u nichž je požadován co nejmenší vnitřní odpor, je u stabilizátorů proudu požadován vnitřní odpor co největší, aby změna zatěžovacího odporu způsobila jen nepatrnou změnu odporu v obvodu a proud procházející do zátěže se měnil co nejméně. Činitel stabilizace je zde K = I 1 I 2 I 2 I 1 při R z = konst. kde I 1 je vstupní proud, I 2 je proud výstupní U parametrických stabilizátorů proudu se zpravidla používá bipolární tranzistor v zapojení SB nebo unipolární tranzistor. Obr. 7. Parametrický stabilizátor proudu s bipolárním tranzistorem v zapojení SB: a) principiální zapojení stabilizátoru, b) charakteristiky Na obr. 7 vidíme principiální zapojení stabilizátoru proudu s tranzistorem v zapojení SB. Stabilizovaný proud je proud I C. Je určen proudem emitoru, nastavovaným odporem R v obvodu pomocného napětí U P. Pro výstup platí U CB = U I C R z. Předpokládejme pro jednoduchost U = konst., dojde-li ke změně R z, změní se i napětí U CB. Jak vidíme z charakteristik, je při tom změna I C minimální. 4
Obr. 8. Parametrický stabilizátor proudu s tranzistorem řízeným elektrickým polem: a), b) zapojení, c) vliv odporu rezistoru R s na velikost stabilizovaného proudu U zpětnovazebních stabilizátorů proudu je regulační součástka je ovládána odchylkou referenčního napětí a napětí vzniklém na odporu zapojeném v sérií se zátěží, činností stabilizátoru je toto napětí stabilní a tak je stabilní i proud zátěží. 9. Obr. proudu Blokové schéma zapojení zpětnovazebního stabilizátoru 10. Použití integrovaného obvodu 723 ke stabilizaci proudu Obr. 5
Použitá literatura [Bém90] Bém, J. a kol.: Integrované obvody a co s nimi. SNTL, Praha, 1990. [GM95] GM Electronic: Součástky pro elektroniku. GM Electronic, Praha, 1995. [kol89] Kolektiv autorů: Dioda, tranzistor a tyristor názorně. SNTL, Praha, 1989. [MF81] [TE88] Maťátko, J. Foitová, E.: Elektronika pro 3. ročník SPŠ elektrotechnických. SNTL, Praha, 1981. Tesla Eltos: Katalog elektronických součástek, konstrukčních dílů, bloků a přístrojů. Tesla Eltos, Praha, 1988. 6