Stabilizátor napětí – Jak funguje?

Stabilní napětí je v robotice nesmírně důležité, a právě to je to, co integrovaný obvod v podobě stabilizátoru napětí. Tento malý třínohý objekt je navržen tak, aby na svém výstupu udržoval nastavené stejnosměrné napětí. Různé modely pracují na bázi záporné zpětné vazby, a odolávají tak většině napěťových špiček v poměrně velkém rozsahu. Stojí za to se s nimi seznámit blíže, protože jejich použití je v některých případech naprosto nezbytné, zejména v robotice.

Co je to integrovaný obvod?

Integrovaný obvod je elektronický obvod s miniaturizovanou konstrukcí a monolitickou strukturou z křemíku, což je monokrystal polovodiče. Integrované obvody se dělí na dvě skupiny – monolitické a hybridní. U monolitických modelů jsou všechny součástky (aktivní i pasivní) umístěny uvnitř monokrystalické polovodičové struktury a u hybridních modelů, které se tvarem a strukturou poměrně výrazně liší. Vrstvy vodivého a odporového materiálu jsou naneseny na destičce z izolantu. Později se materiály vyleptají a vytvoří vlastní propojení.

Nejběžnější forma monolitických integrovaných obvodů je velmi složitá a při jejich konstrukci probíhá přibližně 350 procesních operací pro různé účely. Zajímavé je, že moderní modely těchto obvodů se vyznačují extrémně malými délkami odporových kanálů o velikosti několika mikro- nebo nanometrů.

Co je stabilizátor napětí?

Stabilizátor napětí je elektronické zařízení, vlastně integrovaný obvod, který je určen k udržování správného stejnosměrného napětí. Měl by pracovat nezávisle na zatížení systému a kolísání napětí, čímž chrání veškerou navazující elektroniku. Proces ochrany je způsoben zápornou zpětnou vazbou. Stabilizátory jsou zakončeny třemi nohami různých velikostí a tvarů a na vrcholu je monolitické pouzdro, do kterého byly vloženy všechny součásti konkrétního stabilizátoru. Obvykle se jedná o polovodičový monokrystal ve formě křemíku, který se vyznačuje vynikající robustností a výbornými praktickými vlastnostmi.

Stabilní napětí se vyznačuje svou neměnností bez ohledu na převládající teplotu nebo hodnotu odebíraného proudu. Je třeba vědět, že každé elektrické zařízení dodává napětí spíše nepředvídatelným způsobem a typické je jeho kolísání, takže napětí je určováno především v určitých mezích a rozmezích. Obvody bohužel nejlépe pracují se stabilním napájením, a proto je třeba používat specializované stabilizátory napětí, které jim ho poskytují.

Tři vývody z každého stabilizátoru slouží postupně jako vstup, zem a výstup a jeho činnost lze kontrolovat pomocí kondenzátorů a 9V baterie a multimetru, který v tomto případě funguje jako voltmetr. Napájecí zdroj je připojen mezi vstupní svorku a GND a napájený obvod mezi GND a výstupní svorku. Hodnoty napětí naměřené po zvýšení proudu odebíraného z obvodu (např. pro napájení diod pomocí rezistorů, tj. asi 20 mA) by měly být před i po jejich připojení shodné. Stabilizátor napětí by měl “za chodu” kompenzovat případné nepřesnosti a výkyvy a zároveň chránit cennou elektrotechniku před poškozením a rušením. Projekty založené na Arduinu obvykle používají napětí rovné 5 V.

Co je to zpětná vazba?

Každý stabilizátor napětí reaguje na změnu stejnosměrného napětí zpětnou vazbou, která slouží jako prostředek ke snížení kolísání a jeho normalizaci. Jedná se o proces, který zahrnuje nepřetržitou interakci výstupních signálů se vstupními signály, což lze mimo jiné přirovnat ke sluchátkům s aktivním tlumením zvuku. Jak v případě stabilizátoru napětí, tak v případě výše zmíněných sluchátek se snížení nepříjemností provádí jejich neutralizací opačnou silou. V případě sluchátek se jedná o zvuky o frekvenci a intenzitě, které snižují nepohodlí v důsledku pobytu v hlučném prostředí. Naproti tomu stabilizátor napětí neustále sleduje a vyrovnává výstupní napětí s referenčním napětím, aby generoval řídicí signál, který vyrovnává výkyvy výstupního napětí při kolísání napájecího napětí.

Základní parametry stabilizátorů napětí

Jedním z hlavních parametrů stabilizátorů napětí je garantované stabilizační napětí. Jedná se o vstupní napětí, v jehož rozsahu poskytuje dané zařízení garantovanou úroveň napětí na výstupu. Neméně důležitým parametrem je provozní napětí stabilizátoru. Definuje rozsah vstupního napětí, během kterého dochází ke stabilizaci. Samotný rozsah výstupního napětí však může být zcela mimo rozsah garantovaného napětí, což je třeba mít na paměti. Dalšími základními parametry stabilizátorů napětí jsou garantované výstupní napětí a také rychlost stabilizace, která určuje, za jak dlouho se stabilizátor po poklesu napětí vrátí na výstupní napětí.

Typy stabilizátorů napětí

Na trhu existují tři typy stabilizátorů napětí, a to lineární stabilizátor, pulzní stabilizátor a také stabilizátor LDO. Všechny tři se od sebe značně liší především funkčností a výkonem a dobře fungují ve zcela odlišných elektrických systémech. Nejčastěji se používají lineární stabilizátory, které patří mezi nejběžnější výrobky, ale někdy je potřeba i pulzní model nebo model s nízkým úbytkem.

Pulzní stabilizátory

Pulzní stabilizátory, jinak známé jako měniče, umožňují vyrábět vyšší stabilní výstupní napětí, než je napětí dodávané zdrojem. Takový provoz je založen na jevu vlastní indukce (samoindukce). Jedná se o typ elektromagnetického jevu, který nastává, když se elektromotorická síla vytváří ve stejném obvodu jako proud, který protéká systémem a způsobuje indukci. Vzniká tak elektromotorická síla, která působí proti změnám intenzity elektrického proudu. Výsledkem je prvek, který zvyšuje nebo snižuje napětí – podle potřeby.

Měniče se vyznačují nepřetržitým provozem a jejich výhodou je rychlá odezva a nízká hlučnost během provozu. Stejně jako vše, mají však i pulzní stabilizátory své slabiny, mezi které patří nízká účinnost v důsledku neustálých ztrát výkonu na výkonovém tranzistoru.

Lineární stabilizátory

Lineární stabilizátory jsou zodpovědné za dodávání stabilizovaného napětí do zátěže ze zdroje. Jejich charakteristikou je jistě spolehlivost, trvanlivost a nízké náklady. Tato zařízení však mají i své nevýhody. Za zmínku mezi nimi stojí generované teplo, které je úměrné rozdílu napětí mezi vstupem a výstupem. To však není neřešitelný problém, neboť stačí použít vhodný chladič, který je prvkem zodpovědným za odvod tepla z obvodů.

Lineární stabilizátory lze rozdělit do čtyř skupin:

• stabilizátory kladného napětí s pevným napětím,
• záporné stabilizátory napětí s pevným napětím,
• kladné stabilizátory napětí s uživatelsky nastavitelným napětím,
• uživatelem definované záporné stabilizátory napětí.

Kdysi byly lineární stabilizátory založeny pouze na diskrétních prvcích v podobě elektronky, Zenerovy diody nebo tranzistoru. Postupem času však tato zařízení nahradily stabilizátory s integrovanými obvody. Nové verze mají mnohem lepší výkon a většina modelů má vestavěné obvody pro omezení výstupního proudu při přetížení a také při nadměrném zvýšení teploty křemíkové struktury.

Stabilizátory LDO – Low Drop Out

Stabilizátory LDO – Low Drop Out jsou typem lineárního stabilizátoru. Tato zařízení ke správné funkci vyžadují malý rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím. Proto jsou nevhodné do náročných podmínek, kde je běžné vysoké vstupní napětí. Důležité je, že stabilizátory LDO jsou určeny pro trvalý provoz a jejich hlavními součástmi jsou zdroj referenčního napětí, chybový zesilovač a sériový prvek (bipolární tranzistor Q1 nebo MOSFET).

Rozdíly mezi stabilizátory napětí

Stabilizátory napětí se vzhledem ke své konstrukci a účelu vyznačují různými funkcemi, které stojí za to poznat zblízka. Nejdůležitějším parametrem je jistě účinnost, která se u lineárního modelu pohybuje v rozmezí 25 až 60 %, zatímco u impulsního modelu je to 75 až 95 %. Plocha chladičů, které snižují teplotu impulsního stabilizátoru, je pouze 10 – 20 % plochy chladičů u lineárního modelu. Pro robotiku je také důležitý poměr výkonu k hmotnosti, který v případě lineárního stabilizátoru činí 20 W/kg. To je nesrovnatelně méně než 110 W/kg u velmi robustního pulzního stabilizátoru.

Parametr kvality stabilizace u pulzního modelu je dobrý/vynikající, zatímco u lineárního stabilizátoru je velmi dobrý. To má velký význam pro konstrukce, kde je důležitá velká přesnost a nemožnost kolísání napětí. Velký význam má také doba odezvy stabilizátoru na neplánované změny napětí, která je u lineárního modelu 5 až 50 mikrosekund a u impulsní varianty 100 až 1 000 mikrosekund, což znamená, že na změny napětí reaguje mnohem později. Velké rozdíly jsou způsobeny také potlačením šumu a zvlnění. Lineární stabilizátor plní tuto úlohu velmi dobře, dosahuje hodnot kolem 0,2 až 2 mV, zatímco impulsní model si vede mnohem hůře. V jeho případě je potlačení šumu a zvlnění velmi špatné a dosahuje přibližně 10 – 60 mV.

Mnoho lidí při návrhu obvodu zohledňuje také schopnost udržet napětí při poklesu napětí. Vstupní napětí může v případě lineárního stabilizátoru klesat po dobu 1 až 10 milisekund, což je mnohem méně než 20 až 50 milisekund u pulzního modelu. Velmi důležitou vlastností stabilizátorů napětí je také schopnost potlačovat rádiové rušení. Lineární stabilizátor plní tuto úlohu sám pomocí kondenzátorů pro potlačení rušení, zatímco u pulzní varianty jsme nuceni použít konstrukční doplňky a opatření v podobě stínění a filtrů.

Použití stabilizátoru napětí v robotice

U robotických aplikací, které používají elektromotory, může docházet k náhlému a vysokému zatížení napájení. Takové problémy jsou často zdrojem poruch, kterým lze předejít použitím kvalitních stabilizátorů napětí. Většinou se však používají baterie, které mají nízký vnitřní odpor, ale i tento typ napájení má své nevýhody. Nejdůležitější z nich je problém s udržením úrovně výkonu při zatížení, takže často dochází k selhání baterií, které je přímo ovlivněno proudovými impulsy. Při nepředvídaných situacích by bylo výborným řešením použití stabilizátorů napětí, které tento typ problému ideálně řeší.

Použití stabilizátorů síťového napětí

Stabilizátory napětí mají obecně širokou škálu použití, a proto je lze najít v mnoha průmyslových odvětvích. Kromě toho se však často používají také v domácích instalacích, kde jsou výkyvy napětí možnou příčinou poruch různých typů zařízení. Co obvykle signalizuje přetrvávající problém s elektronikou? Nejčastějším příznakem poruchy je, že se spotřebiče zavěsí nebo samovolně vypnou. Kromě toho se poruchy mohou projevovat kolísáním intenzity světla žárovek, jejich blikáním nebo mnohem rychlejším opotřebením napájecích zdrojů.

V případě stabilizátorů síťového napětí lze jejich použití nalézt ve výrobních podnicích, kde se používají motorové stroje. Dále se tato zařízení často používají v případech, kdy se daný podnik nachází v těsné blízkosti podniků s vysokými náběhovými proudy. Kromě toho se stabilizátory síťového napětí instalují v domech vzdálených od trafostanice a také ve strojích vyvážených do zemí s nekvalitní elektrickou sítí.

Nastavitelný a nenastavitelný stabilizátor

Existují dvě varianty stabilizátorů: nastavitelný a nenastavitelné. Nastavitelný model je snadno nastavitelný, což je důležité pro ty, kteří hledají velmi specifické řešení s vysokou mírou variability. K tomuto účelu slouží přídavné potenciometry. Potenciometr je jedna elektronická součástka, jinak známá jako proměnný odpor, a jeho funkcí je regulovat potenciál. Jinými slovy, potenciometr funguje jako dělič napětí v tom smyslu, že dokonale optimalizuje elektrické napětí. Jeho konstrukce není složitá, protože tento prvek je vybaven třemi svorkami, tzv. vývody. Kromě toho je každý potenciometr vybaven skluzem a odporovou dráhou. Nejoblíbenějším nastavitelným stabilizátorem je model LM317.

Naproti tomu neregulovaný stabilizátor se vyznačuje pevným a stálým výstupním napětím, které bylo striktně definováno výrobcem daného obvodu.

Nejoblíbenější regulátory napětí – LM317 a LM7805

Regulátor napětí LM317 je regulované zařízení. Byl navržen a zkonstruován Robertem C. Dobkin a Robert J. Widlar v roce 1970, kdy oba pracovali ve společnosti National Semiconductor. Rozsah regulace výstupního napětí tohoto stabilizátoru je 1,25 V – 37 V, přičemž úbytek napětí na stabilizátoru je v rozmezí 3 V – 40 V. Ze specifikací LM317 stojí za zmínku také přípustná teplota okolí, při které může zařízení správně pracovat při plnění svých úkolů. Ta se pohybuje v rozmezí od 0 do 125 stupňů Celsia. Pokud jde o přípustný výstupní proud, podle použití chladiče doporučeného výrobcem by měl být menší než 1,5 A.

LM7805 je neregulovaný stabilizátor, který se na trhu vyskytuje v několika variantách lišících se v několika detailech, které určují jejich použitelnost v dané aplikaci. Napětí všech modelů LM7805 je 5 V na vstupu s přesností 2 %, zatímco maximální výstupní proud může být 1 A nebo 1,5 A. Modely se mohou lišit také pouzdrem (TO263 a TO220). Stabilizátory LM7805 jsou součástí řady 78xx. Poslední dvě čísla (např. 05) označují výstupní napětí, které se může pohybovat od 5 V u varianty 7805 až po 24 V u stabilizátoru LM7824.