Stabilizator napięcia – Jak to działa?

Stabilne napięcie ma ogromne znaczenie w kwestii robotyki, a służy do tego układ scalony w postaci stabilizatora napięcia. Ten mały, trójnożny przedmiot, przeznaczony jest do utrzymywania na wyjściu zadanego napięcia prądu stałego. Poszczególne modele działają na podstawie ujemnego sprzężenia zwrotnego, tym samym są odporne na większość skoków napięcia w dość dużym zakresie. Warto je poznać z bliska, gdyż ich wykorzystanie jest w niektórych przypadkach absolutnie niezbędne, szczególnie w robotyce.

Co to jest układ scalony?

Układ scalony to układ elektroniczny o zminiaturyzowanej konstrukcji i monolitycznej budowie wykonanej z krzemu, będącym monokryształem półprzewodnikowym. Układy scalone występują w dwóch grupach – monolityczne oraz hybrydowe. W modelach monolitycznych wszystkie elementy składowe (czynne oraz bierne) znajdują się we wnętrzu monokrystalicznej struktury półprzewodnika oraz hybrydowe, które dość znacznie się od nich różnią formą oraz budową. Warstwy przewodnika oraz materiału rezystywnego są nanoszone na płytkę wykonaną z izolatora. Później materiały ulegają wytrawieniu, tworząc właściwy układ połączeń.

Najpopularniejsza forma monolitycznych układów scalonych jest bardzo skomplikowana, a podczas ich budowy zachodzi około 350 operacji technologicznych o różnym przeznaczeniu. Co ciekawe, nowoczesne modele tych układów charakteryzują się niezwykle małą długością kanału rezystora, która wynosi kilka mikro- lub nanometrów. 

Czym jest stabilizator napięcia?

Stabilizator napięcia jest urządzeniem elektronicznym, a właściwie układem scalonym, który ma za zadanie utrzymywanie właściwego napięcia stałego. Powinien działać niezależnie od obciążenia układu oraz wahań napięcia, chroniąc tym samym wszelkie dalsze części elektroniki. Proces ochrony zawdzięczamy ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu. Stabilizatory są zakończone trzema nóżkami o różnej wielkości i kształcie, a w ich górnej części znajduje się monolityczna obudowa, w której zostały zatopione wszystkie podzespoły danego stabilizatora. Zazwyczaj jest to monokryształ półprzewodnikowy w postaci krzemu, który charakteryzuje się znakomitą wytrzymałością i doskonałymi właściwościami praktycznymi.

Stabilne napięcie charakteryzuje się niezmiennością, niezależnie od panującej temperatury czy wartości pobieranego prądu. Warto wiedzieć, że każde urządzenie elektryczne dostarcza napięcie w dość nieprzewidywalny sposób, a jego wahania są typowe, dlatego napięcie określa się głównie w pewnych granicach i zakresie. Niestety, układy najlepiej pracują w stabilnym zasilaniu, dlatego aby je im dostarczyć, należy stosować specjalistyczne stabilizatory napięcia.

Trzy wyprowadzenia z każdego stabilizatora służą kolejno jako wejście, masa oraz wyjście, a jego działanie można sprawdzić między innymi kondensatorami oraz baterią 9V i multimetrem, działającym w tym przypadku jako woltomierz. Zasilanie podłączamy między zacisk wejścia a masę, zaś zasilany układ między masę i zacisk wyjściowy. Wartości napięcia zmierzone po zwiększeniu prądu pobieranego z układu (np. do zasilenia diod z rezystorami, czyli około 20 mA) powinno być identyczne zarówno przed ich podłączeniem, jak i po podłączeniu. Stabilizator napięcia powinien “w locie” wyrównywać wszelkie nieścisłości i wahania, a zarazem chronić cenną elektrykę od zniszczeń i zakłóceń. Zazwyczaj w projektach opartych na Arduino wykorzystuje się napięcie równe 5V.

Co to jest sprzężenie zwrotne?

Każdy stabilizator napięcia reaguje na zmianę napięcia stałego sprzężeniem zwrotnym, które służy jako sposób na zmniejszenie wahań i ich unormowanie. Jest to proces, który polega na ciągłym oddziaływaniu sygnałów wyjściowych na sygnały wejściowe, co można porównać między innymi do słuchawek z aktywnym tłumieniem dźwięku. Zarówno w przypadku stabilizatora napięcia, jak i wspomnianych słuchawek, zmniejszenie niedogodności jest przeprowadzane przez zneutralizowanie ich przeciwstawną siłą. W przypadku słuchawek są to dźwięki o częstotliwości i natężeniu, które zmniejszają dyskomfort wskutek przebywania w głośnym otoczeniu. Z kolei stabilizator napięcia stale monitoruje i zestawia ze sobą napięcie wyjściowe z wzorcowym, aby w chwili wahań napięcia zasilającego wygenerować sygnał sterujący, który ma za zadanie przeciwdziałać zmianom napięcia na wyjściu.

Podstawowe parametry stabilizatorów napięcia 

Jednym z głównych parametrów stabilizatorów napięcia jest napięcie gwarantowanej stabilizacji. Jest to napięcie wejściowe w zakresie którego dane urządzenie zapewnia gwarantowany poziom napięcia na wyjściu. Równie istotnym parametrem jest napięcie pracy stabilizatora. Określa ono zakres napięcia wejściowego, w trakcie którego następuje stabilizacja. Jednak sam zakres napięcia wyjściowego może znajdować się zupełnie poza zakresem napięcia gwarantowanego, o czym warto pamiętać. Kolejnymi, podstawowymi parametrami stabilizatorów napięcia, jest gwarantowane napięcie wyjściowe, a także szybkość stabilizacji, która określa, w jakim czasie stabilizator powróci do napięcia wyjściowego po wystąpieniu spadku napięcia.

Rodzaje stabilizatorów napięcia

Na rynku znajdziemy trzy rodzaje stabilizatorów napięcia, jest to stabilizator liniowy, stabilizator impulsowy, a także stabilizator LDO. Wszystkie trzy dość znacznie różnią się między sobą głównie funkcjonalnością oraz parametrami użytkowymi i sprawdzają się w zupełnie różnych układach elektrycznych. W większości stosuje się stabilizatory liniowe, które należą do produktów rozpowszechnionych najbardziej, jednak czasami zachodzi potrzeba zastosowania modelu impulsowego lub Low Drop Out.

Stabilizatory impulsowe

Stabilizatory impulsowe, inaczej zwane przetwornicami, umożliwiają wytworzenie wyższego stabilnego napięcia wyjściowego niż napięcie dostarczane ze źródła zasilania. Takie działanie odbywa się na podstawie zjawiska samoindukcji (indukcji własnej). Jest to rodzaj zjawiska elektromagnetycznego, które występuje w przypadku, gdy siła elektromotoryczna wytwarzana jest w tym samym obwodzie co prąd, który przepływając przez układ powoduje indukcję. W ten sposób powstaje siła elektromotoryczna, która przeciwstawia się zmianom natężenia prądu elektrycznego. Dzięki temu można uzyskać element podwyższający lub obniżający napięcie – w zależności od potrzeb.

Przetwornice charakteryzują się ciągłym działaniem, a ich zaletami jest szybkość odpowiedzi i niski poziom szumów podczas pracy. Jednak jak wszystko, stabilizatory impulsowe również mają swoje słabe strony, do których można zaliczyć między innymi niską sprawność wynikającą z nieprzerwanej utraty mocy na tranzystorze wykonawczym.

Stabilizatory liniowe

Stabilizatory liniowe odpowiadają za dostarczenie stabilizowanego napięcia do odbiornika ze źródła zasilania. Ich charakterystyczną cechą jest z pewnością niezawodność, trwałość i niewielki koszt zakupu. Jednak urządzenia te mają również swoje wady. Warto wśród nich wymienić wydzielane ciepło, które jest proporcjonalne do różnicy napięć pomiędzy wejściem i wyjściem. Jednak nie jest to problem nie do rozwiązania, gdyż wystarczy zastosować odpowiedni radiator, który jest elementem odpowiedzialnym za odprowadzenie ciepła z układów.

Stabilizatory liniowe można podzielić na cztery grupy:

• stabilizatory napięć dodatnich o ustalonym napięciu, 
• stabilizatory napięć ujemnych o ustalonym napięciu, 
• stabilizatory napięć dodatnich o napięciu ustalanym przez użytkownika,
• stabilizatory napięć ujemnych ustalanym przez użytkownika.

Niegdyś stabilizatory liniowe były oparte wyłącznie na dyskretnych elementach w postaci lampy, diody Zenera czy tranzystora. Natomiast wraz z upływem czasu urządzenia te zostały wyparte przez stabilizatory układów scalonych. Nowe wersje charakteryzują się znacznie lepszymi parametrami, a większość modeli ma wbudowane obwody ograniczające prąd wyjściowy podczas wystąpienia przeciążenia, a także w trakcie nadmiernego wzrostu temperatury struktury krzemowej.

Stabilizatory LDO – Low Drop Out

Stabilizatory LDO (z ang. Low Drop Out) to rodzaj stabilizatorów liniowych. Urządzenia te, do prawidłowego wykonywania swojej pracy, wymagają niewielkiej różnicy między napięciem wejściowym a wyjściowym. Przez to nie są przeznaczone do pracy w trudnych warunkach, gdzie często występują wysokie napięcia wejściowe. Co ważne, stabilizatory LDO są przystosowane do ciągłej pracy, a ich głównymi elementami są źródło napięcia odniesienia, wzmacniacz błędu oraz element szeregowy (tranzystor Q1 bipolarny lub MOSFET). 

Różnice między stabilizatorami napięcia

Stabilizatory napięcia charakteryzują się różną funkcjonalnością ze względu na budowę i przeznaczenie, którą warto poznać z bliska. Najistotniejszym parametrem jest z pewnością sprawność, która w przypadku modelu liniowego zamyka się w zakresie 25 – 60%, zaś w przypadku modelu impulsowego – od 75 do 95%. Powierzchnia radiatorów obniżających temperaturę stabilizatora impulsowego wynosi jedynie 10 – 20% powierzchni radiatorów w modelu liniowym. Dla robotyki liczy się również stosunek mocy do masy, który w przypadku stabilizatora liniowego wynosi 20 W/kg. To nieporównywalnie mniej, niż 110 W/kg w przypadku bardzo wytrzymałego stabilizatora impulsowego.

Parametr jakości stabilizacji w modelu impulsowym jest dobry/poprawny, zaś w przypadku stabilizatora liniowego – bardzo dobry. Ma to ogromne znaczenie dla konstrukcji, w których liczy się ogromna precyzja i brak możliwości wystąpienia wahań napięcia. Bardzo istotne są również czasy reakcji stabilizatora na nieplanowaną zmianę napięcia, które wynoszą w modelu liniowym 5 – 50 mikrosekund, zaś w wariancie impulsowym – od 100 do 1000 mikrosekund, co oznacza, iż na zmiany napięcia reaguje znacznie później. Duże różnice wynikają również z tłumienia dźwięków i tętnień. Stabilizator liniowy wykonuje to zadanie bardzo dobrze, osiągając wynik około 0,2 – 2 mV, zaś model impulsowy znacznie gorzej. W jego przypadku tłumienie szumów i tętnień jest bardzo słabe i osiąga około 10 – 60 mV.

Wiele osób podczas projektowania układu zastanawia się również nad zdolnością utrzymania napięcia podczas jego zaniku. Napięcie wejściowe może zaniknąć na 1 – 10 milisekund w przypadku stabilizatora liniowego, co jest wartością znacznie niższą niż 20 – 50 milisekund w modelu impulsowym. Bardzo istotną cechą stabilizatorów napięcia jest również możliwość tłumienia zakłóceń radioelektrycznych. Stabilizator liniowy wykonuje to zadanie samodzielnie przy użyciu kondensatorów przeciwzakłóceniowych, zaś w wariancie impulsowym jesteśmy zmuszeni do zastosowania dodatków konstrukcyjnych i środków w postaci ekranowania i filtrów.

Wykorzystanie stabilizatora napięcia w robotyce

W aplikacjach robotów, w których stosuje się silniki elektryczne mogą występować nagłe i duże obciążenia zasilania. Takie problemy często są źródłem awarii, której można uniknąć poprzez wykorzystanie wysokiej jakości stabilizatorów napięcia. Przeważnie jednak stosuje się baterie, które cechują się niską wewnętrzną opornością, jednak ten rodzaj zasilania ma również swoje wady. Najważniejszą z nich jest problem z utrzymaniem poziomu wydajności pod wpływem obciążenia przez co często baterie ulegają zniszczeniu, na co bezpośredni wpływ mają impulsy prądowe. Podczas nieprzewidzianych sytuacji doskonałym rozwiązaniem będzie wykorzystanie stabilizatorów napięcia, które idealnie rozwiążą tego rodzaju problemy.

Zastosowanie stabilizatorów napięcia sieciowego

Ogólnie rzecz biorąc stabilizatory napięcia mają szerokie możliwości zastosowania, dlatego można je spotkać w wielu gałęziach przemysłu. Jednak dodatkowo często są stosowanie także w instalacjach domowych, w których występują wahania napięcia, będące możliwą przyczyną awarii różnego rodzaju urządzeń. Co zwykle wskazuje na trwające problemy z elektroniką? Najczęściej awarię można zauważyć po zawieszaniu się odbiorników lub ich samoistnym wyłączaniu. Ponadto usterki mogą objawiać się zmiennym natężeniem światła żarówek, ich migotaniem czy też znacznie szybszym zużywaniem się zasilaczy.

W przypadku stabilizatorów napięcia sieciowego ich zastosowanie można znaleźć wśród firm produkcyjnych, w których wykorzystywane są maszyny silnikowe. Ponadto często urządzenia te są stosowanie w przypadkach, gdy dane przedsiębiorstwo zlokalizowane jest w bliskim sąsiedztwie z firmami, gdzie występują duże prądy rozruchowe. Dodatkowo stabilizatory napięcia sieciowego instaluje się w domach położonych daleko od stacji transformatorowej, a także w maszynach eksportowanych do krajów, gdzie występuje niskiej jakości napięcie sieciowe.

Stabilizator regulowany a stabilizator nieregulowany

Wyróżniamy dwa warianty stabilizatorów: regulowane oraz nieregulowane. Model regulowany da się bez problemu regulować, co ma duże znaczenie dla osób poszukujących bardzo skonkretyzowanych rozwiązań z dużą możliwością wprowadzenia zmian. W tym celu wykorzystuje się dodatkowe potencjometry. Potencjometr to pojedynczy element elektroniczny, inaczej zwany rezystorem zmiennym, a jego zadaniem jest regulowanie potencjału. Innymi słowy potencjometr działa jak dzielnik napięcia, gdyż doskonale optymalizuje napięcie elektryczne. Jego budowa nie jest skomplikowana, ponieważ element ten jest wyposażony w trzy końcówki, zwane wyprowadzeniami. Ponadto każdy potencjometr jest wyposażony w ślizgacz i ścieżkę oporową. Stabilizator regulowany cieszący się największą popularnością to model LM317. 

Stabilizator nieregulowany z kolei charakteryzuje się stałą i permanentną wartością napięcia wyjściowego, które zostało ściśle określone przez producenta danego układu..

Najpopularniejsze stabilizatory napięcia – LM317 i LM7805

Stabilizator napięcia LM317 jest regulowanym urządzeniem. Został zaprojektowany i skonstruowany przez Roberta C. Dobkina i Roberta J. Widlara w 1970 roku, gdy oboje pracowali w przedsiębiorstwie National Semiconductor. Zakres regulacji napięcia wyjściowego w przypadku tego stabilizatora wynosi 1,25V – 37V, natomiast spadek napięcia na stabilizatorze mieści się w przedziale 3V – 40V. Wśród specyfikacji modelu LM317 warto również zwrócić uwagę na dopuszczalną temperaturę otoczenia, w której urządzenie może poprawnie pracować odpowiednio realizując swoje zadania. Wynosi ona od 0 stopni Celsjusza do 125 stopni Celsjusza. Jeśli chodzi o dopuszczalny prąd wyjściowy to zgodnie z zastosowaniem radiatora zalecanego przez producenta powinien wynosić mniej niż 1,5A.

LM7805 to stabilizator nieregulowany, występujący na rynku w kilku wariantach różniących się paroma detalami, które decydują o ich użytkowości w danej aplikacji. Napięcie we wszystkich modelach LM7805 wynosi 5V na wejściu z dokładnością do 2%, zaś maksymalny prąd wyjściowy może wynosić 1 A lub 1,5 A. Modele mogą różnić się także obudową (TO263 oraz TO220). Stabilizatory LM7805 wchodzą w skład rodziny 78xx. Końcowe dwie liczby (np. 05) oznaczają napięcie wyjściowe, które może wynosić od 5V w wariancie 7805, aż do 24V w stabilizatorze LM7824.