Стабилизаторы напряжения

Встроенные стабилизаторы напряженияДавайте немного отступим от базовых электронных компонентов и займемся более сложными схемами.

Существует так много микросхем, и каждая из них имеет свое предназначение. В этой статье, мы с вами обсудим встроенные стабилизаторы напряжения.

Как выглядит интегральная схема?

В данной части статьи, мы рассмотрим микросхемы на примере популярного чипа NE555. Более подробно, мы обсудим его в следующих статьях.

Образец микросхемы NE555
Образец микросхемы NE555

Кстати, интегральные схемы могут выглядеть иначе. Это не обязательно должны быть черные блоки с симметрично расположенными выводами. Интегральная схема обычно представляет собой большое количество пассивных и активных элементов, которые соединены соответствующим образом и выполняют определенную задачу. Система состоит из множества элементов, закрытых в небольшом корпусе, что позволяет создавать более крупные устройства из таких удобных «электронных блоков».

Мы же будем иметь дело с относительно простыми интегральными схемами, то есть стабилизаторами напряжения. Обычно для работы им требуется всего три контакта.

Для чего нужна стабилизация напряжения?

Как следует из названия, речь идет о получении стабильного напряжения постоянного тока, значение которого не изменится — независимо от температуры, времени, энергопотребления, местоположения устройства и т.д. Ведь батареи, и аккумуляторы, и адаптеры переменного тока обеспечивают напряжение, указанное только в определенных пределах. Но мы знаем, что все электронные системы «любят» работать в неизменных условиях, например, в стабильном электроснабжении.

Правильное питание ограничивает возможность ошибок в работе устройства. Кроме того, стабилизаторы могут использоваться для получения нескольких различных напряжений от одного источника.

О стабильном питании мы заговорили еще в наших первых статьях, например, обсуждали нежелательное внутреннее сопротивление аккумулятора. Уже тогда было ясно, что нам нужны системы, обеспечивающие действительно стабильное напряжение, независимо от нагрузки.

Линейные стабилизаторы

Линейные стабилизаторы — это системы, которые работают по очень простому принципу: мы подаем на них некоторое напряжение от источника (например, от батареи), и они выдают на выходе определенное стабильное напряжение, но ниже входного.

Разница между входным и выходным напряжением — это так называемое внутренее сопротивление. Каждый стабилизатор имеет минимальное значение этого параметра, необходимое для правильной работы (единицы вольт или сотни милливольт).

Малые интегральные схемы стабилизации напряжения
Примеры малых интегральных схем стабилизации напряжения

Линейные стабилизаторы дешевы, удобны в использовании и надежны. Однако у них есть два основных недостатка:

  • выделяют тепло, пропорциональное разнице напряжений (вход / выход) и потребляемому току,
  • не могут генерировать напряжение выше входного.

Формула потерянной мощности несложная и выглядит так:

P = (Uin — Uo) * I, где:

  • U in — входное напряжение, подаваемое в систему [В],
  • U output — выходное напряжение, указанное производителем [В],
  • I — ток на выходе стабилизатора [А].

Энергия теряется в виде тепла, которое нагревает корпус стабилизатора, поэтому часто эти элементы имеют конструкцию, облегчающую прикручивание к ним радиатора, то есть элемента отвода тепла. Фактически, стабилизатор потребляет небольшой ток, необходимый для работы его внутренних цепей, поэтому потребляемый ток немного больше, чем ток, подаваемый на нагрузку.

Образец стабилизатора входит в некоторые наборы с платой Arduino и имеет маркировку 7805. На корпусе могут быть различные префиксы (например, LM или KA) или суффиксы, но основным является корень. Это относится ко всему семейству стабилизаторов 78xx, где две последние цифры указывают установленное значение напряжения. Цифры 05, на данном стабилизаторе, следует интерпретировать как 5 В.

Описываемый стабилизатор характеризуется следующими свойствами:

  • выходное напряжение: 5 В (± 0,25 В),
  • максимальный выходной ток: 1,5 А,
  • минимальное падение напряжения: 2В,
  • защита от повреждений в случае перегрева или короткого замыкания выхода,
  • корпус: ТО220 (позволяет прикрутить радиатор).
Также популярна серия 78Lxx с ограничением выходного тока до 100 мА. Постовляется в меньших корпусах, без возможности добавления дополнительного охлаждения.

Стабилизатор LM7805 на практике

Давайте проверим, действительно ли эта схема может стабилизировать напряжение. Для этого воспользуемся следующей схемой. Как видите, все очень просто: стабилизатор, два конденсатора по 100 нФ, батарея на 9 В и мультиметр, а диоды оставим на потом.

Схема со стабилизатором
Принципиальная схема со стабилизатором

Все необходимые для стабилизации элементы находятся внутри небольшого корпуса с тремя штырями. Питание подается между входным контактом (IN) и землей (GND), а нагрузка (цепь с питанием) — между выходным контактом (OUT) и землей.

Обозначения стабилизатора LM7805
Обозначения на стабилизаторе LM7805

Конденсаторы, в схеме выше, необходимы по двум причинам. Во-первых, они обеспечивают правильную работу этой цепи, так как их наличие требует производитель. Во-вторых, они используются для фильтрации возможных помех. Однако их значения (по крайней мере, для такого проекта) не критичны. Напоминаем: больше информации о конденсаторах можно найти в статье «Конденсаторы и фильтрация мощности«.

Схема, собранная на макетной плате, выглядит как на фото ниже. Пока не добавляйте диоды и резисторы (мы добавим их позже). Теперь нас интересует только измерение напряжения, которое появится на выходе ненагруженного стабилизатора.

Подключение обратного питания (неправильная полярность) может повредить стабилизатор! Посмотрите на рисунок выше, чтобы точно увидеть, где находятся вход и выход.

Минимальное падение напряжения в такой цепи составляет 2 В, поэтому на входе должно быть не менее 5 В + 2 В = 7 В. Аккумулятор на 9 В идеально подходит для данного подключения. После подключения цепи, мы можем считывать информацию с мультиметра:

Пример сборки цепиИзмерение напряжения на выходе LM7805
Пример сборки цепи на макетной платеИзмерение напряжения на выходе LM7805

Напряжение, измеренное тестером, должно быть близко к 5 В. Теперь посмотрим, как ведет себя выходное напряжение при добавлении нагрузки. Мы будем использовать два диода вместе с токоограничивающими резисторами. Цвет света не имеет значения — светодиод просто снимает ток с выхода.

Для этого соберите схему на макетной плате, как показано на картинке:

Пример реализации на платеПример реализации на плате 2
Пример реализации на платеПример реализации на плате

Посмотрим, насколько изменилось выходное напряжение:

Измерение напряжения на нагруженном выходе LM7805
Измерение напряжения на нагруженном выходе LM7805

В тестируемом случае, напряжение не изменилось даже на 0,01 В, а ток, потребляемый с выхода, увеличился с (почти) нуля до примерно 20 мА. Изменения не происходят, отсюда можно сделать важный вывод:

Стабилизаторы можно рассматривать (почти) как идеальный источник напряжения (с незначительным внутренним сопротивлением). Это связано с тем, что система управления, включенная в структуру, сравнивает текущее выходное напряжение с опорным напряжением и корректирует выходное напряжение.

Напряжение 5 В очень популярно на сегодняшний день в цифровой технике. Это напряжение, которое будет питать большинство ваших будущих проектов (например, тех, которые работают с Arduino).

Как выглядит LM7805 изнутри?

В начале статьи было написано, что интегральные схемы — полезные «электронные блоки» в небольшом корпусе. Ниже в качестве любопытства представлена ​​схема внутренней части стабилизатора 7805 (это фрагмент его каталожной записи).

Схема стабилизатора 7805
Схема стабилизатора 7805

Нет, мы не будем анализировать работу этой системы — мы можем только радоваться тому, что за нас это сделал кто-то другой! Конечно, транзисторы и резисторы внутри интегральных схем намного меньше, чем компоненты, которые мы используем. Никто не станет «запихивать» столько элементов в стандартные корпуса маленьких LM7805.

Стабилизаторы / импульсные преобразователи

Несмотря на свои преимущества, такие как, невысокая цена или простота использования, линейные стабилизаторы сегодня менее популярны, чем было это раньше. Это связано с тем, что снижение мощности, потребляемой системой, играет все более важную роль, особенно при работе от батарей. Кроме того, иногда необходимо генерировать напряжение выше, чем обеспечивается источником напряжения питания.

Существуют сотни, если не тысячи, импульсных стабилизаторов, но в основном они основаны на простом физическом явлении: самоиндукции.

Идея использования самоиндукции проста: если мы пропустим ток через катушку, а затем внезапно отключим ее, на ее выводах будет генерироваться напряжение. Если вся система настроена так, что генерируемое напряжение добавляется к напряжению питания, мы получим преобразователь повышения напряжения. Если вычесть напряжение, генерируемое отключенной катушкой, из напряжения питания, мы получим понижающую систему. Специальная интегральная схема сравнивает выходное напряжение с заданным значением, и соответствующим образом, управляет переключением катушки.

Пример преобразователя DC DC
Пример преобразователя DC / DC

Расшифровка сокращений и обозначений

При поиске подходящего стабилизатора, можно встретить обозначения, которые непонятны людям, не знакомым с предметом обсуждения. Вот глоссарий наиболее часто используемых сокращений:

  • LDO — это аббревиатура от английских слов low-dropout regulator, который представляет собой линейный стабилизатор, необходимый для небольшой разницы напряжений между входом и выходом порядка 1 В или меньше. Стабилизаторы LDO дороже обычных (типа 78xx) и плохо переносят высокие входные напряжения.
  • Регулируемый стабилизатор — выходное напряжение можно регулировать, чаще всего с помощью дополнительного потенциометра. Самый популярный регулируемый стабилизатор — LM317.
  • Нерегулируемый стабилизатор — выходное напряжение указано производителем системы и указано на ее корпусе. Примером может служить тестируемый здесь чип LM7805.

Вывод

Из этой статьи, вы узнали об одном из множества типов интегральных схем, в состав которых входят стабилизаторы напряжения. Они имеют большое значение в электронике. На практике такие стабилизаторы используются, например, в наборах для программирования Arduino.

Прежде чем начать собирать проекты с применением стабилизаторов, убедитесь, что вы понимаете принцип действия стабилизаторов и можете применить их на практике. Напишите нам в комментариях, помогла ли вам наша статья и желаем удачи в ваших будущих проектах!

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий