Baterie i akumulatory stanowią źródło zasilania dla wielu przenośnych maszyn, urządzeń czy zabawek. Bezprzewodowe elektronarzędzia ręczne, telefony komórkowe i pojazdy zdalnie sterowane to jedne z wielu popularnych zastosowań baterii i akumulatorów. Odgrywają one również istotną rolę w motoryzacji jako źródło zasilania silników w pojazdach elektrycznych i tradycyjnych samochodach z silnikami spalinowymi. Oprócz tego dostarczają napięcie dla odbiorników podczas postoju i rozruchu.
W trakcie pracy silnika akumulator jest na bieżąco podładowywany z alternatora (zwykle napędzanego przez pasek klinowy od wału korbowego) – podobnie jest w przypadku zasilaczy awaryjnych UPS (ang. Uninterruptible Power Supply) w trybie pracy buforowej. Jak ma się to do stabilizatorów napięcia?
Cel stabilizacji napięcia zasilania w układach elektronicznych
Akumulatory i baterie są źródłami napięcia stałego DC. Aby uzyskać takie napięcie na prawidłowym poziomie z wyjścia ładowarki bądź zasilacza, większość konstrukcji jest wyposażonych w transformator z prostownikiem i kondensatorami filtrującymi lub przetwornicę impulsową. W wielu przypadkach takie rozwiązania mogą okazać się niewystarczające, ponieważ duże wahania napięcia na poziomie ±20% – ±40% wartości znamionowej mogą spowodować nieprawidłowe funkcjonowanie urządzeń, a nawet ich trwałe uszkodzenie.
Aby napięcie wyjściowe zachowywało stałą wartość bez względu na to, jak długo urządzenie pracuje, w układzie zasilania niezbędne są elementy, które skorygują wartość napięcia wyjściowego w czasie rzeczywistym. Jednym z najprostszych rozwiązań jest zastosowanie półprzewodnikowego, liniowego stabilizatora napięcia. Przykładem takiego elementu jest układ L7805CV, który jest popularnie stosowany w wielu urządzeniach elektronicznych, zwłaszcza tych, które w swojej konstrukcji wykorzystują mikrokontrolery i układy logiczne TTL i CMOS.
Co to jest stabilizator napięcia i jak działa?
Standardowy, liniowy stabilizator napięcia ma postać układu scalonego z trzema wyprowadzeniami – wejściem napięcia pochodzącego ze źródła zasilającego, masą oraz wyjściem napięcia zasilającego po stronie odbiornika. Najważniejszym wymaganiem konstrukcyjnym jest otrzymanie na wyjściu stabilizatora stałego napięcia, którego wartość nie ulega drastycznym zmianom zarówno pod wpływem fluktuacji napięcia wejściowego, jak i obciążenia.
Zasada działania liniowego stabilizatora napięcia nieregulowanego polega na automatycznej regulacji napięcia wyjściowego poprzez zmianę rezystancji w obwodzie wejściowym i wyjściowym na zasadzie zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego w taki sposób, aby napięcie wyjściowe było niezmienne, a ewentualne fluktuacje nie wpływały na pracę obciążenia.
Stabilizator 5V L7805CV – THT TO220 – cechy charakterystyczne
L7805CV jest liniowym stabilizatorem napięcia w formie układu scalonego zamkniętego w obudowie TO220 do montażu przewlekanego (THT). Na wyjściu stabilizatora uzyskiwane jest napięcie stałe o wartości 5,0V z dokładnością na poziomie ±0,1V. Maksymalne napięcie wejściowe stabilizatora wynosi 35,0V, przy czym z uwagi na minimalne napięcie dropout wynoszące 2,0V, aby stabilizator został włączony, wymagane jest podłączenie napięcia zasilania nie mniejszego niż 7,0V. Układ L7805CV produkcji STMicroelectronics ma bardzo szeroki zakres zastosowań i może dostarczyć prąd o maksymalnym natężeniu do 1,5A podczas pracy o charakterze długotrwałym, przy czym zalecane jest przykręcenie obudowy układu do radiatora, celem usprawnionego odprowadzania ciepła. Przed montażem radiatora do obudowy należy powierzchnię styku nasmarować pastą termoprzewodzącą. Stabilizator jest wyposażony w wewnętrzne zabezpieczenie przeciwprzeciążeniowe oraz zabezpieczenie termiczne. Regulator L7805CV wymaga do optymalnego funkcjonowania podłączenia zaledwie kilku dodatkowych elementów. Ten stabilizator ma trzy wyprowadzenia:
1 – IN – wejście napięcia zasilającego
2 – GND – masa układu jest połączona z metalową częścią obudowy, do której można przykręcić radiator
3 – OUT – wyjście napięcia 5V
Stabilizator 5V L7805CV – THT TO220 – przykładowa aplikacja
Wykorzystanie stabilizatorów napięcia w układach elektronicznych pozwala na znaczne zniwelowanie zmian napięcia, których obecność może spowodować nieprawidłowe funkcjonowanie, a nawet uszkodzenie odbiorników. Z uwagi na możliwość fluktuacji napięcia od strony zasilacza sieciowego, aby zwiększyć efektywność działania stabilizatora, niezbędne jest dodanie kondensatorów podtrzymujących napięcie. Stabilne parametry napięcia gwarantują niezawodne działanie zasilanych układów. Rysunek 1 obrazuje uniwersalny schemat podłączenia elementów współpracujących z regulatorem jednonapięciowym L7805CV. Kondensator o pojemności 220nF umieszczony po stronie źródła napięcia zasilającego jest szczególnie istotny, kiedy przewody połączeniowe lub ścieżki na płytce PCB doprowadzone do stabilizatora są zbyt długie i wprowadzają zbyt duży spadek napięcia. Natomiast kondensator o pojemności 100nF po stronie wyjścia regulatora stanowi dodatkowy element zwiększający stabilność napięcia wyjściowego.
Najprostszym przykładem wykorzystania stabilizatora napięcia L7805CV jest układ zasilacza sieciowego AC/DC, który jest zasilany z sieci jednofazowej o napięciu znamionowym 230V i na wyjściu podaje on napięcie stałe o wartości znamionowej 5V. Schemat takiego przykładowego zasilacza, przedstawiono na rys. 4.2.
Do zbudowania prototypu takiego zasilacza niezbędne będzie użycie kilku elementów, do których należą:
- transformator jednofazowy 230V / 12V o mocy znamionowej 10VA
- Bezpiecznik zwłoczny 1A
- Scalony mostek prostowniczy 2A
- Kondensator elektrolityczny 1000uF/16V
- Kondensator poliestrowy MKT 220nF/63V
- Kondensator poliestrowy MKT 100nF/63V
- Stabilizator napięcia L7805CV
Zasada działania takiego układu jest następująca. Transformator obniża napięcie sieciowe 230V do poziomu 12V. Napięcie ma w dalszym ciągu przebieg przemienny sinusoidalny. Mostek prostowniczy zamienia ten kształt przebiegu napięcia na przebieg pulsujący jednokierunkowy. Kondensator elektrolityczny C3 pełni funkcję filtra, który wygładza zakłócenia napięcia od strony sieci i zapobiega nagłemu wyłączeniu stabilizatora w przypadku chwilowego spadku napięcia poniżej minimalnej wartości niezbędnej do funkcjonowania stabilizatora. Kondensatory C1 i C2 mają także istotną rolę w eliminowaniu szumów i zakłóceń wysokich częstotliwości oraz zapobiegają przed wzbudzaniem się układu. Taki zasilacz można wykorzystać m.in. do zasilania urządzeń elektronicznych wykorzystujących układy logiczne serii 74XY i 40XY, a także mikrokontrolery i mikroprocesory. Z uwagi na obecność niebezpiecznego napięcia podczas uruchamiania układu należy zachować szczególną ostrożność.
