kryje się za tym pojęciem. Wartość napięcia pochodzącego bezpośrednio od źródła zasilania może zmieniać się nawet w dość szerokich granicach – doskonałym przykładem są tutaj systemy zasilane bateryjnie lub akumulatorowo. Początkowo napięcie zestawu ogniw lub akumulatorków jest odpowiednio wysokie, wyższe nawet, niż nominalna wartość oznaczona przez producenta na obudowie. W miarę eksploatacji źródło energii ulega rozładowaniu – obniża się wartość napięcia, a także wzrasta rezystancja wewnętrzna. Źródło coraz gorzej radzi sobie ze zmianami natężenia pobieranego prądu.

Drugim problemem – obok sporych, ale powolnych zmian wartości napięcia – są wszelkiego rodzaju tętnienia i szumy. Te pierwsze okazują się szczególnie uciążliwe w urządzeniach sieciowych, korzystających z konwencjonalnych transformatorów i prostowników dwupołówkowych. Choć klasyczną metodą filtrowania tętnień jest zastosowanie baterii kondensatorów elektrolitycznych, to dla czułych przedwzmacniaczy audio czy też precyzyjnych obwodów pomiarowych taka prosta filtracja nie wystarczy. Wtedy właśnie sięgamy po scalony stabilizator napięcia. Układ taki zawsze obniża wartość napięcia – a kosztem tego obniżenia jest uzyskanie stabilnego, „czystego” napięcia wyjściowego, niemal pozbawionego obecnych na wejściu tętnień czy wahań wartości napięcia. Możemy żartobliwie porównać działanie stabilizatora napięcia do hebla (struga) stolarskiego, który (kosztem zmniejszenia grubości obrabianego kawałka drewna) wygładza go, obcinając wszystkie nierówności z danej strony i pozwalając na uzyskanie gładkiej, jednolitej powierzchni.

Stabilizatory napięcia znajdziesz w ofercie sklepu Botland.

Zasada działania stabilizatora napięcia

Stabilizator napięcia jest w rzeczywistości pewnego rodzaju wzmacniaczem – porównuje napięcie wyjściowe (podzielone uprzednio przez wbudowany lub dołączony z zewnątrz dzielnik napięcia) z własnym źródłem napięcia odniesienia. Sygnał wyjściowy tzw. wzmacniacza błędu steruje (bezpośrednio lub poprzez dodatkowe układy zabezpieczające) tranzystorem o odpowiedniej mocy – w taki sposób, by na wyjściu układu zawsze panowało napięcie o odpowiedniej wartości. Jest to zatem układ automatycznej regulacji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, „z natury” zapewniającym stabilizację napięcia wyjściowego.

Dobierając odpowiednią wartość współczynnika podziału dzielnika napięcia, który „obserwuje” napięcie wyjściowe, możliwe jest uzyskanie (prawie) dowolnego napięcia wyjściowego, mieszczącego się w zakresie – najczęściej – od niecałych dwóch woltów do pewnej wartości maksymalnej. Ta zaś zależy do napięcia wejściowego oraz minimalnego spadku napięcia na stabilizatorze (w anglojęzycznej literaturze spotkasz się z określeniem drop-out voltage i oznaczeniem Vd, które możemy na potrzeby tego artykułu „spolszczyć” do postaci Ud). Spadek napięcia, mierzony jako różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym, wynika oczywiście z konieczności zapewnienia napięcia wystarczającego do otwarcia tranzystora wyjściowego i/lub obecności nieuniknionego napięcia kolektor-emiter w stanie saturacji (w przypadku stabilizatorów opartych na tranzystorach MOSFET ograniczeniem jest minimalna rezystancja obwodu dren-źródło). W przypadku popularnych stabilizatorów (np. nieśmiertelnego LM7805) Ud wynosi około 2 V, a nowoczesne stabilizatory LDO (ang. low drop-out) mogą pracować ze spadkiem rzędu kilkuset miliwoltów. Inaczej mówiąc, napięcie wejściowe stabilizatora musi w każdym przypadku przekraczać napięcie wyjściowe przynajmniej o wartość Ud.

Straty mocy, czyli darmowy grzejnik na płytce drukowanej

Zastanówmy się teraz, co stanie się, jeżeli stabilizator o napięciu wyjściowym równym 5 V zasilimy napięciem wejściowym równym 12 V? Jak wiesz, układ będzie dążył do utrzymania na wyjściu pożądanych pięciu woltów – dlatego też na tranzystorze znajdującym się wewnątrz stabilizatora będzie musiało odłożyć się napięcie równe różnicy Uwe – Uwy, tj.:

Ud = Uwe – Uwy = 12 V – 5 V = 7 V.

Świetnie – stabilizator „przejmie na siebie” ponad połowę napięcia wejściowego, nie dopuszczając do wzrostu napięcia na wyjściu, co mogłoby doprowadzić do uszkodzenia zasilanych obwodów (np. 5-woltowego mikrokontrolera).

Załóżmy więc, że nasz układ pobiera z zasilania prąd 100 mA. Moc tracona przez stabilizator w postaci ciepła będzie zatem wynosiła w przybliżeniu (nie uwzględniamy niewielkich strat mocy, wynikających z poboru prądu przez wewnętrzne obwody stabilizatora):

P = U*I = 7 V * 100 mA = 0,7 W.

Wydawałoby się, że to niedużo. Sprawdźmy zatem, o ile stopni Celsjusza podniesie się temperatura struktury krzemowej naszego stabilizatora. Obliczymy to, mnożąc moc strat przez tzw. rezystancję termiczną, określoną pomiędzy strukturą, a powietrzem otaczającym obudowę stabilizatora. Parametr ten, podawany w jednostce [oC/W], jest oznaczany w notach katalogowych jako RthJA (czyli thermal Resistance, junction-to-ambient). Dla popularnego stabilizatora LM7805 w obudowie TO220 wynosi on 50 oC/W:

ΔT = P * RthJA = 0,7 W * 50 oC/W = 35 oC.

Wydawałoby się, że to stosunkowo niewiele – spójrzmy zatem, ile wyniesie temperatura struktury przy założeniu, że układ pracuje w temperaturze pokojowej rzędu 25 oC (obliczona wcześniej wartość jest bowiem przyrostem temperatury względem temperatury otoczenia):

Tj = 25 oC + 35 oC = 60 oC.

Całkiem wysoko, prawda? Taki przyrost temperatury będzie już wyraźnie odczuwalny przy dotyku obudowy palcem, a każdy dodatkowy miliamper pobrany z wyjścia stabilizatora dodatkowo podniesie tę wartość. Możesz samodzielnie obliczyć, o ile (teoretycznie) podniosłaby się temperatura struktury krzemowej, gdybyś chciał pobrać maksymalny prąd równy 1A.

Oczywiście do takiej sytuacji nigdy nie powinno dojść – układ nagrzałby się naprawdę solidnie, po czym uległby wyłączeniu (jeżeli proces następowałby odpowiednio wolno, zadziałałby wewnętrzny obwód zabezpieczenia termicznego) lub nawet nieodwracalnemu uszkodzeniu (np. przy nagłym zwarciu). Takie sytuacje nieraz zdarzają się w praktyce – dlatego właśnie nie należy przekraczać dopuszczalnych napięć i prądów pracy, a w przypadkach, gdy trzeba wytracić dość sporą ilość mocy, powinny być stosowane dodatkowe radiatory. Oczywiście, aby radiator spełnił swoje zadanie, trzeba właściwie go obliczyć i zapewnić stosowny przepływ powietrza (czasem konieczne okazuje się zastosowanie obiegu wymuszonego, tj. wentylatora).

Stabilizatory regulowane vs. nieregulowane

Warto w tym miejscu dodać, że dostępne w sprzedaży stabilizatory można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Stabilizatory nieregulowane to wszystkie te układy, których napięcie wyjściowe jest wstępnie ustawione przez producenta na etapie produkcji i nie może być ono zmieniane w trakcie pracy układu. Tak działają np. wspomniane wcześniej układy z rodziny LM78xx, LM79xx (działające analogicznie, ale służące do stabilizacji napięć ujemnych względem masy), czy też chętnie stosowane układy z oznaczeniem L1117.

Stabilizatory regulowane, do których należy znany i lubiany od wielu lat układ LM317, pozwalają natomiast na ustawienie wartości napięcia wyjściowego – do tego celu służy specjalnie włączony dzielnik napięcia, złożony z dwóch rezystorów o wartościach obliczonych według wzoru:

Uwy = Ur*(1 + (R2/R1)),

gdzie Ur – wewnętrzne napięcie odniesienia (równe 1,25 V), R2 – wartość rezystora wpiętego pomiędzy końcówkę ADJ, a masę układu, R1 – wartość rezystora wpiętego pomiędzy wyjście a końcówkę ADJ.