Stabilizátor napětí

Parametrický stabilizátor:

• základní zapojení se zenerovou diodou
• sériové provedení stabilizátoru

Zdokonalený stabilizátor

• + výkonový tranzistor
• paralelní zapojení

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 ${\displaystyle \eta }$. 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.

Blokové schéma zpětnovazebního stabilizátoru napětí

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: ${\displaystyle \ U_{1}=U_{T}+U_{2}}$,

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

Praktické zapojení stabilizátoru z diskrétních součástek

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 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.

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

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.

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

• Dioda
• Zenerova dioda
• Tranzistor
• Operační zesilovač
• Komparátor

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