Ko si priskrbimo vir enosmerne napetosti, ki jo še dodatno zgladimo s kondenzatorjem, imamo dobro osnovo za izdelavo stabiliziranega vira napetosti, ki nam bo napajal tudi najbolj zahtevne elektronske naprave.
AX elektronika d.o.o.
Avtor: Bojan Kovač
Čemu toliko prahu okrog napajanja? Vsako integrirano vezje ima v tehnični dokumentaciji podano najvišjo napetost, pri kateri še sme delovati. Če upoštevamo konice temenske napetosti pri polnovalno usmerjeni enosmerni napetosti, lahko rečemo, da bi bila četrtino časa napajalna napetost do tretjine višja, kot jo izmerimo z instrumentom. Za večino občutljivih integriranih vezij bi bili takšni pogoji delovanja pogubni. Zato ne bo nikoli preveč razsipno, če bomo za napajalnik namenili kakšen cent več in s tem zagotovili dolgo življenjsko dobo in zanesljivo delovanje naše elektronske naprave. Za stabilizacijo napajalne napetosti uporabljamo dve vrsti napetostnih regulatorjev: linearne in stikalne. Tokrat je prostor in čas namenjen linearnim. Ti napetost regulirajo tako, kot bi nek izjemno hiter možakar spremljal izhodno napetost na merilnem instrumentu in jo ves čas z vrtenjem serijsko vezanega potenciometra vzdrževal na dogovorjenem nivoju. Pri tem bi mu povzročala preglavice nihanje vhodne napetosti in neprestano spreminjanje porabe na izhodu.
Ta vsebina je samo za naročnike
Linearni regulatorji na svojem vhodu potrebujejo vsaj kakšne tri volte višjo napetost, kot jo potem dajejo na svojem izhodu. To je delno povezano z lastnostmi polprevodnikov, da imajo nek prag prevajanja, do katerega ne prevajajo in padca napetosti na njih, kadar prevajajo, po drugi strani pa želimo, da se »doline« med posameznimi polvali ne bi pojavile tudi na izhodu regulatorja. Oglejmo si to na sliki 1!
Vidimo lahko, kako pomembno je, da imamo vhodno napetost zglajeno s primernim kondenzatorjem. Za konstantno napetost na izhodu skrbi bipolarni tranzistor. Vedeti je treba tudi to, da smo narisali neko idealno linijo enosmerne napetosti na izhodu, kajti če upoštevamo, kako delujejo polprevodniki, moramo priznati, da bo oblika izhodne napetosti veliko bolj valovita zaradi padcev napetosti in zaradi praga prevajanja tranzistorja. Prav zato smo na začetku omenili, da mora biti nivo vhodne napetosti dovolj visok, da dobimo na izhodu dovolj stabilno enosmerno napetost, kljub »muham« polprevodnikov. Pa poglejmo, kako bi se teoretično obnašal tranzistor, ki nam uravnava izhodno napetost!
Upoštevajmo, da mora biti vhodna napetost vsaj 0,7 V višja od tiste, ki jo daje na izhod tranzistor, sicer sploh ni pogojev za prevajanje tranzistorja. Prejšnjo idealno krivuljo smo obarvali rumeno, rdeča krivulja pa prikazuje napetost na izhodu tranzistorja, ki je enaka ali manjša od napetosti, ki naj bi jo regulator dajal na svojem izhodu. Iz tega sklepamo, da bomo dobili »ravno« enosmerno napetost le takrat, ko bo vhodna napetost v vsakem trenutku vsaj 0,7 V višja od tiste, ki jo želimo dobiti na izhodu regulatorja. »Preprosto,« boste dejali, »pa vzemimo vhodno napetost 20 V namesto 8 V, pa bo mir!« No, ne bo šlo tako enostavno! Kaj mislite, kam gre tista napetost nad rdečo linijo, ki predstavlja našo stabilizirano napetost? Ostane morda na kondenzatorju? Ali lahko trdimo, da je nismo porabili, saj pravzaprav potrebujemo le tisto, kar se nahaja pod rdečo črto? Ne, porabili smo vse! Vse, kar je več kot stabilizirana izhodna napetost so izgube na tranzistorju v obliki toplote. Tranzistor v stabiliziranem napetostnem regulatorju deluje kot spremenljiv upor, ki svojo upornost prilagaja trenutni vrednosti vhodne napetosti in z upoštevanjem toka, ki ga trenutno troši porabnik pri konstantni izhodni napetosti. Ob višji vhodni napetosti se bo moralo na tranzistorju porabiti več, pri manjši pa manj moči. Če vzamemo, da je izhodna napetost regulatorja 4,75 V, kot je narisano in da je poraba vezja, ki ga napajamo, 100 mA, potem naše vezje troši moč:
Pporabnika = Uporabnika x Iporabnika; Pporabnika= 4,75 x 0,1 = 0,475 W
Zdaj pa vzemimo, da na vhodu vezja za stabilizacijo napetosti izmerimo napetost 8 V.
Pri toku 100 mA je skupna poraba:
Pskupna = Uskupna x I; Pskupna = 8 x 0,1 = 0,8 W
0,325 W torej ves čas spreminjamo v toploto na tranzistorju regulatorja!
Izračunajmo še, kakšna moč bi bila pri 20 V vhodni napetosti.
Pskupna = 20 X 0,1 = 2 W
Celotno vezje, stabilizator napetosti in naša elektronika skupaj bi torej porabila 2 W energije! Hudo! Če iz prvega izračuna upoštevamo izračunani rezultat, da ima naše napajano vezje porabe le 0,475 W, potem znašajo izgube, ki jih »spuščamo v zrak« 1,525 W. Če si pogledamo še izkoristka tega našega stabiliziranega napetostnega vira po formuli:
h = (Pporabnika / Pskupna) * 100 [ v % ]
dobimo za obe vhodni napetosti naslednja izkoristka:
h = (0,475 / 0,8) * 100 = 59,37 %
h = (0,475 / 2) * 100 = 23,75 %
No, to pa je to, kar je zelo slabo. Po eni strani pridobivamo drago energijo na včasih ekološko zelo neprijazne načine, po drugi strani pa bi isto energijo spuščali v zrak in morali ob tem zagotavljati še ustrezno hlajenje regulacijskega polprevodnika – to je pa preveč! Še majhen izračun letne izgube energije. Recimo, da neko vezje neprekinjeno napajamo, kar je 8760 ur delovanja letno pri 2 W moči. Skupno bi za to napravico porabili 17520 Wh ali 17,52 kWh električne energije pri 20 V vhodne napetosti in 7,00 kWh pri vhodni napetosti 8 V. Ob vsem tem napajanju nam funkcionalno vezje, ki ga napajamo, porabi le 4,16 kWh. Iz vseh teh izračunov vidimo, da ni vseeno, kakšno vhodno napetost načrtujemo za naš napajalnik s stabilizirano napetostjo.
Izvedba stabiliziranega usmernika je lahko serijska ali paralelna.Najpogostejša oblika linearne stabilizacije napetosti je serijska z uporabo serijskega tranzistorja, vendar se uporabljajo tudi paralelni (shunt) stabilizatorji napetosti.
Paralelna stabilizacija enosmerne napetosti
Shunt (šent) je upor, prek katerega teče večina (relativno visokega) toka med merjenjem toka v ampermetru. Na takšen način delujejo tudi paralelni stabilizatorji napetosti. S spreminjanjem toka skozi vzporedno vezan polprevodnik uravnavamo padec napetosti na serijsko vezanem uporu tako, da imamo na izhodu vedno enako želeno napetost. Vsa nihanja vhodne napetosti se torej odražajo v večjem ali manjšem padcu napetosti na serijskem uporu ob konstantni izhodni napetosti.
Čisto preprosto paralelno stabilizacijo enosmerne napetosti lahko naredimo z Zener diodo. Shema za je narisana na sliki 3.
Čeprav je takšen regulator zelo preprost, predstavlja popolnoma zanesljiv in stabilen vir napetosti za bremena z majhno porabo. Najprej izberemo napetost Zener diode. Regulator sestavljata serijski upor in Zener dioda s prebojno napetostjo, ji je enaka želeni izhodni napetosti. Recimo, da želimo imeti na izhodu 4,75 V, kot smo narisali na slikah 1 in 2. Vzeli bomo diodo za 3 V, ki je standardna vrednost Zener diode. Skozi njo moramo v zaporni smeri zagotoviti vsaj 5 mA toka, da deluje pravilno in na njej nastane nazivni padec napetosti. Naslednji pomembni podatek, ki ga moramo vedeti je največji tok, s katerim bomo obremenili regulator. Recimo, da bomo napajali vezje z največjo porabo 100 mA. S tema dvema podatkoma lahko izračunamo vrednost, ki jo mora imeti serijski upor Rs , da bo vezje za stabilizacijo napetosti pravilno delovalo. Skupen največji tok, ki bo tekel skozi upor bo vsota toka skozi Zener diodo in toka bremena. Največji tok torej znaša 105 mA, za rezervo pa vzamemo nekaj več, recimo 120 mA. Sedaj, ko vemo, kakšen tok bo tekel, moramo določiti potrebno moč Zener diode. Izbrati moramo namreč takšno, ki bo prenesla tolikšen tok takrat, ko breme ne bo priključeno, ali bo imelo občasno manjšo porabo od tiste največje, ki smo jo prej določili (120 mA). Izračun je preprost po Ohmovem zakonu: vzamemo nazivno napetost Zener diode in največji tok, ki bo tekel skozi njo.
P= U x I; P = 3 x 0,12 = 0,36 W
Očitno bo dovolj 0,5 W Zener dioda, lahko pa vzamemo tudi močnejšo, če jo imamo na razpolago. Določimo še vrednost upora Rs.Tok bo omejen le s serijskim uporom, zato bo vedno tekel tok, ki ga določa upornost Rs. Vedeti moramo še vrednost vhodne napetosti, ki naj bi bila vsaj 2 do 3 V višja od izhodne napetosti. Vzemimo, da je 8 V. Na uporu bo vedno nastal padec napetosti, ki je razlika med vhodno napetostjo in napetostjo Zener diode. V našem primeru bo to:
URS = Uvhodna – Uz ; URS = 8 – 3 = 5 V
Če nam nivo vhodne napetosti niha, vzamemo za izračun najvišjo pričakovano vrednost napetosti. Spet uporabimo Ohmov zakon:
Rs = URS / Imax ; Rs = 5 / 0,12 = 41,66 Ω, vzamemo standardno vrednost 39 Ω
Kakšna največja moč se bo trošila na našem uporu?
Pmax= URS x Imax ; Pmax= 5 x 0,12 = 0,6 W
Po izračunih bo treba vzeti upor moči 1 W.
Tako, takšen preprost regulator nam bo dobro stabiliziral napetost pri bremenih s porabo do 100 mA.
Podobno deluje še en paralelni regulator, pri katerem pa tok, ki ga ne porabi breme, »prevzame nase« paralelno vezan tranzistor. Primer takšnega regulatorja je narisan na sliki 4, deluje pa takole: prek Zener diode steče bazni tok tranzistorja vedno, kadar je napetost na izhodu (med kolektorjem in emitorjem tranzistorja) večja od Uizh > UZ + UBE , sicer pa je tranzistor zaprt in kolektorski tok ne teče. Če se tok skozi breme zmanjša, bo za trenutek narasla napetost na njem, prišlo bo do preboja v zaporni smeri Zener diode in skozi njo bo stekel tok v bazo tranzistorja, povečala pa se bo tudi napetost VBE , zato bo lahko skozi tranzistor stekel nek kolektorski tok. Ta tok bo povzročil večji padec napetosti na serijskem uporu RS, kar bo povzročilo zmanjšanje izhodne napetosti. Ko bo napetost na izhodu nižja, kot znašata prebojna napetost Zener diode in padec napetosti med bazo in emitorjem UBE (ki je, kot vemo, tipično 0,7 V) skupaj, bo prenehal teči bazni tok in tranzistor se bo zaprl. Regulacija izhodne napetosti poteka zelo hitro, tako da prekinitev kolektorskega toka sploh ne opazimo. Ta se v praksi stabilizira na neki vrednosti, ki skupaj s tokom bremena povzročil na serijskem uporu RS takšen padec napetosti, ki je razlika trenutnega nivoja vhodne napetosti in želene izhodne napetosti. S formulo lahko to izrazimo takole:
URS = Uvh – Uizh , s tem, da je izhodna napetost seveda enaka Uizh = UZ + UBE.
Serijska stabilizacija enosmerne napetosti
Bolj pogosta oblika stabilizacije enosmerne napetosti je serijska z zaporedno vezanim tranzistorjem, ki prevzame vlogo spremenljivega serijskega upora, kateremu se upornost spreminja glede na trenutni tok porabe in trenutno vrednost vhodne napetosti. Z vezjem je poskrbljeno za to, da je izhodna napetost konstantna ne glede na nihanje obremenitve ali nivoja vhodne napetosti, razlika med vhodno in želeno izhodno napetostjo pa ostane kot padec napetosti na tranzistorju (spomnimo se , kaj pomeni kratica tranzistor: transfer resistor, spremenljivi upor).
Shema takšnega vezja je narisana na sliki 5. Osnovno delovanje je takšno: prek upora R1 teče skozi Zener diodo nek tok, zaradi česar nastane na njej nazivni padec napetosti. To je tudi bazna napetost tranzistorja (napetost med bazo in emitorjem, UBE). Dokler bo razlika med izhodno napetostjo (na emitorju tranzistorja) in UBE večja od 0,7 V (prag prevajanja, predpogoj za prevajanje tranzistorja) bo tranzistor prevajal, ko pa se bo razlika teh napetosti še zmanjšala, ne bo več pogoja za prevajanje tranzistorja in tranzistor se bo zaprl. To povzroči zaradi priključenega bremena takojšnje zmanjšanje izhodne napetosti, s čimer se poveča razlika med izhodno napetostjo in UBE in tranzistor spet začne prevajati. Ta proces se dogaja ves čas, vendar zaradi velike hitrosti delovanja tega niti ne opazimo, pač pa se v praksi to odraža kot konstantna enosmerna napetost. Na tranzistorju nastane padec napetosti, ki je enak razliki med trenutno napetostjo na vhodu in želeno izhodno napetostjo.
Uce = Uvh – Uizh , s tem, da je izhodna napetost enaka Uizh = UZ – UBE.
Iz opisa vidimo, da je nivo konstantne izhodne napetosti odvisen samo od uporabljene Zener diode, ki pa mora imeti za 0,7 V višjo nazivno napetost, kot jo želimo imeti na izhodu napetostnega regulatorja. Obstaja še ena malenkost, ki je lahko včasih zelo pomembna: regulacija deluje le ob priključenem bremenu! Če bi želeli takšno (izhodno) napetost pripeljati na priključne sponke svojega novega stabiliziranega usmernika, bomo na njih lahko z voltmetrom izmerili le polno vhodno napetost. Za pravo regulacijo mora teči tok in to prek nekega bremena. Lahko smo iznajdljivi in kot breme priključimo LEDico prek ustreznega predupora, ki nam bo signalizirala prisotnost napetosti na sponkah. Ker tok sedaj teče, bo delovala tudi stabilizacija napetosti in na sponkah bomo lahko izmerili točno takšno napetost, kot jo določa Zener dioda, zmanjšano za 0,7 V prag prevajanja.
Ne morem si kaj, da ne bi pri tem vezju omenil tudi možnosti nastavitve izhodne napetosti s potenciometrom. To je lahko zelo dobrodošlo, če želimo izdelati in vgraditi v ohišje svoj lasten stabilizirani usmernik za razne preizkuse. Vezje ni zaradi tega nič kaj bolj zapleteno in ker že poznamo delovanje osnovnega vezja, mu bomo dodali le še potenciometer, s katerim bomo lahko nastavili UBE. Referenčna napetost bo še vedno napetost Zener diode, koliko te napetosti se bo pojavilo na baznem priključku kot UBE, pa bo odvisno od razmerja uporovnega delilnika znotraj potenciometra. Na Zener diodi nastane vedno enak padec napetosti, zato jo lahko obravnavamo kot zanesljiv vir točno določene (referenčne) napetosti. Zener dioda mora biti deklarirana za takšno vrednost, da bo omogočala nastavitev najvišje želene izhodne napetosti. Če želimo na primer nastavljati napetost od 1 do 15 V, moramo vgraditi 16 V Zener diodo, ki bo omogočala nastavitev UBE od 0 do 16 V, pri tem pa bo izhodna napetost nekje med 0,7 in 15,3 V. Ne pozabimo na vsaj majhno breme, ki ga moramo priključiti na izhod, da bo tekel nek tok in bo tranzistor lahko nemoteno opravljal svojo vlogo vzdrževanja konstantne izhodne napetosti. Na shemi predstavlja to breme LEDica s preduporom, ki mora biti dimenzioniran tako, da pri najvišji nastavljeni izhodni napetosti skozi LED ne teče večji tok kot 20 mA. Shemo takšnega stabiliziranega usmernika z regulacijo izhodne napetosti imamo na sliki 6.
Spet je pomembno, da izberemo takšen tranzistor, ki bo močnostno zmogel napajati breme. Moč, ki se bo trošila na njem, bo spet produkt toka, ki teče skozi tranzistor in padca napetosti na njem. Predvsem mora biti tranzistor z nekaj rezerve sposoben prevajati največji tok, ki bo tekel skozi priključeno breme. Običajno se ta tranzistor tudi znatno segreje, zato mu je potrebno dodati primerno hladilno telo, prek katerega se toliko ohlaja, da je njegovo delovanje nemoteno. Ne smemo namreč dovoliti, da bi se temperatura kristala polprevodnika dvignila prek dovoljene, ki jo najdemo v tehnični dokumentaciji za posamezni tranzistor. Tako, »na oko« natančno pa lahko rečemo, da temperatura ohišja ne bi smela biti višja od 60 OC. Včasih je za zadovoljivo hlajenje dovolj že kakšen centimeter ali dva aluminijastega kotnega profila.
Integrirani stabilizatorji enosmerne napetosti
Elektronika je lahko tudi zelo preprosta. V ta namen so proizvajalci elektronskih komponent izdelali integrirani stabilizator napetosti, ki zelo poenostavi skrb okrog zanesljivega in stabilnega vira napajanja. Vsebuje vse funkcije, ki smo jih omenili v prejšnjih vezjih. Ima le tri priključke: za vhodno napetost, izhodno napetost in priključek za povezavo z maso. Najbolj preprosta za uporabo je serija napetostnih regulatorjev LM78xx. Tam, kjer je v oznaki xx, je oznaka izhodne napetosti, za katero je regulator izdelan. Ta regulator ima že tovarniško določeno izhodno napetost in tega ne moremo spremeniti. Iz širokega nabora regulatorjev vzamemo pač takšnega, ki ustreza napetosti, ki jo potrebujemo za napajanje našega vezja. Na razpolago so 7805, 7806, 7808, 7809, 7812, 7815, 7818 in 7824. Na tržišču najdemo tudi regulatorje z nižjo izhodno napetostjo, vendar imajo drugačno oznako, ker niso iz serije 78xx. Izdelujejo se za različne tokove, od 100 mA pa vse do 3A! Ko izbiramo pravi regulator za napajanje našega vezja, moramo biti zato pazljivi na njegovo tokovno zmogljivost. Tipičen primer vezja stabiliziranega usmernika z integriranim napetostnim regulatorjem je narisan na sliki 7.
Še eno prednost imajo integrirani regulatorji napetosti. Serija LM78xx je namenjena stabilizaciji pozitivne, serija LM79xx pa stabilizaciji negativne napetosti. Z uporabo obeh lahko naredimo napetostni vir simetrične napetosti, ki jo običajno potrebujemo za napajanje vezij z operacijskimi ojačevalniki. Shema takšnega napajalnika je na sliki 8.
Poleg integriranih regulatorjev s programirano izhodno napetostjo imamo tudi univerzalne regulatorje, katerim lahko izhodno napetost programiramo na točno določeno vrednost.
Tipičen in najbolj znan predstavnik takšnih regulatorjev je LM317.
Ta legendarni regulator ima vgrajeno temperaturno zaščito, zaščito pred previsokim izhodnim tokom pri trenutni temperaturi in zaščito pred kratkim stikom na izhodu. Je vsestransko uporaben v različnih praktičnih vezavah, tudi kot vir konstantnega toka. Z njim lahko preprosto načrtujemo napetostne vire z nastavljivo izhodno napetostjo od 1,2 do prek 30 V. Izhodno napetost regulatorja nastavljamo le z razmerjem upornosti R1 in R2. Regulator deluje tako, da izhodno napetost nastavi na takšen nivo, da nastane med izhodom (Vout) in regulacijskim priključkom (ADJ), torej tudi na uporu R1, padec napetosti 1,25 V. Ker sta napetost in upornost R1 konstantni, teče skozi R1 ves čas konstantni tok. Del tega toka teče tudi skozi R2 in pusti na njem padec napetosti, ki je odvisen od njegove upornosti. Izhodna napetost je enaka seštevku padcev napetosti na obeh uporih. Na izhod priključimo še elektrolitski kondenzator od 10 do 1000 µF, s katerim še izboljšamo kvaliteto enosmerne izhodne napetosti. S formulo lahko nivo izhodne napetosti zapišemo takole:
Uout = Uref (1 + R2/R1) + IADJR2
Zadnji del formule lahko za naše amaterske potrebe zanemarimo, pa bo izhodna napetost še vedno v mejah toleranc uporabljenih uporov. V formuli je znana referenčna napetost (Vref=1,25 V), upornost R1 vzamemo običajno nekje od 100 Ω do 1000 Ω, ponavadi pa je to 240 Ω. Formula se s temi podatki poenostavi:
Uizh = 1,25 (1 + R2/R1) + IADJR2
Običajno nam je že jasno, kakšno izhodno napetost potrebujemo, zato nas bolj zanima vrednost upora R2, da bomo želeno napetost res dobili. Iz prejšnje formule lahko z malo »telovadbe« izpeljemo formulo za izračun upora R2 za želeno izhodno napetost:
R2 = R1 * ( (UIZH/1.25) -1 )
Preizkusimo, kako deluje! Radi bi imeli izhodno napetost 3,3 V za napajanje mikrokontrolerja. Izračunajmo R2, če bo vrednost R1 240 Ω!
R2 = 240( (3,3/1,25)-1) = 393 Ω ; vzamemo prvo standardno vrednost, ki je v našem primeru čisto blizu: 390 Ω. Izračunajmo sedaj s temi vrednostmi uporov še enkrat izhodno napetost po osnovni formuli, da preverimo pravilnost izpeljane formule:
Uizh = 1,25 (1 + 390/240) = 3,28 V
Seveda lahko namesto R2 priključimo tudi potenciometer, s katerim bomo lahko po želji zvezno nastavljali višino izhodne napetosti. Ne pozabimo dodati izhodnega kondenzatorja in imejmo v mislih dejstvo, da mora tudi pri tem regulatorju teči vsaj nek minimalni tok, da na izhodu dobimo nastavljeno (programirano) napetost.
Še en integrirani regulator bomo omenili. To je regulator L200, ki je pravi posebnež in vsekakor vreden obravnave. Vgrajeno ima temperaturno zaščito, zaščito pred preobremenitvijo, zaščito pred previsoko vhodno napetostjo, zaščito pred kratkim stikom in SOA (safe operating area) zaščito izhodnega tranzistorja. Proizvajalec trdi, da je z vsemi temi zaščitami praktično neuničljiv! Ima pet priključkov in obstaja cela vrsta aplikacij, v katerih ga lahko uporabimo. Ker ima tudi priključek za zaznavanje in omejevanje toka, lahko na preprost način z enim samim uporom izvedemo posebno tokovno zaščito, ki omejuje najvišji tok na takšno vrednost, kot si želimo. Če te možnosti ne izkoristimo, bo najvišji tok regulatorja omejen le z notranjo tokovno zaščito. Uporabnost takšnega regulatorja je vsestranska.
Vhodna napetost je označena kot *BAT_plus in v vezju simbolično predstavljena kot baterija za lažje razumevanje principa delovanja negativne napetosti BAT_minus. Ti dve bateriji torej fizično ne obstajata, obstajata pa napetostna nivoja, ki ju predstavljata. Osnovna vezava L200 je takšna, kot bi bil preklopnik PR1 v položaju »B«. Priključek 3 (GND) regulatorja je povezan na maso (GND) napajanja. S takšno vezavo regulatorja lahko izhodno napetost nastavljamo nekje v razponu od 3 V pa do maksimalne izhodne napetosti, ki je odvisna od tega, kako visoko napetost smo priključili na vhod. Proizvajalec predlaga, da za nastavitev izhodne napetosti od 0 do maksimalne vrednosti uporabimo vezavo, ko priključek 3 regulatorja priključimo na 3 V bolj negativno napetost v primerjavi z maso (GND), kar je v shemi ponazorjeno s položajem »A« preklopnika PR1 in negativno napetostjo BAT_minus 3 V v primerjavi z maso.
Izhodno napetost tega regulatorja nastavljamo z razmerjem upornosti uporov R1 in R2. Proizvajalec priporoča vrednost upora R1 nekje med 500 Ω in 1500 Ω, referenčna napetost v formuli pa je pri tem regulatorju 2,77 V. Ker je formula za izhodno napetost enaka, kot pri regulatorju LM317, bo tudi formula za izračun upornosti R2 enaka:
R2 = R1 * ( (UIZH/2.77) -1 ) = 500 x ((3,3/2,77)-1) = 96 Ω.
Najvišji dovoljen izhodni tok, ki ga bomo omejili z uporom R3 lahko izračunamo z naslednjo formulo:
IOmax = U(5-2)/ R3 ali vrednost upora: R3 = U(5-2) / IOmax
Napetost med priključkoma 5 in 2 (U(5-2) ) se primerja z notranjo referenčno napetostjo, ki pri L200 znaša tipično 0,45 V. Če želimo najvišji izhodni tok na primer 2 A, bomo vrednost upora R3 izračunali po formuli:
R3 = 0,45 / 2 = 0,225 Ω
Spet moramo paziti na to, da uporabimo upor primerne moči. Padec napetosti na uporu bo največ 0,45 V, vendar se bo pri toku 2 A na njem trošilo že 0,9 W, zato bomo morali uporabiti upor večje moči, na primer 2 W! Poskrbimo tudi za hlajenje regulatorja, kot moramo to vedno storiti, kadar se na polprevodnikih sprošča veliko moči v obliki toplote, ki jih lahko tudi uniči, če je dovolj hitro ne odvajamo v okolico. Vedeti moramo, da ima tabletka silicija znotraj ohišja še veliko višjo temperaturo, kot ohišje in da se lahko ohlaja le prek ohišja. Če se temperatura tabletke dvigne nad 125 OC bodo v kristalu nastale trajne poškodbe difundiranih P in N plasti, s čimer polprevodniški element izgubi svoje lastnosti in karakteristike, ki jih zagotavlja proizvajalec.To povzroči, da stečejo nenadzorovani in nepredvideni procesi, ki element uničijo.
Kot vidimo, smo kar mimogrede dobili stabiliziran napetostni vir z nastavljivo izhodno napetostjo. Med preizkušanjem izdelanega prototipa nas je zelo motilo to, da napetost ni nastavljiva od 0 do maksimalne napetosti, ampak jo je mogoče znižati le do nivoja notranje referenčne napetosti, ki je nekje med 2,65 in 2,86 V. Proizvajalec regulatorja L200 za takšne primere predlaga vezavo priključka GND (pin 3) na napetost, ki je do 3 V bolj negativna, če jo primerjamo s skupno maso. Rešitev ki smo jo v ta namen uporabili mi, je zelo preprosta. Na jedro toroidnega transformatorja smo navili trdo izolirano žico iz starega UTP kabla za kabelsko priključitev na računalniško omrežje. Potrebujemo okrog 4,5 metrov takšnega kabla, lahko pa tudi manj, saj lahko med navijanjem žice tudi podaljšujemo – prispajkamo naslednjo žico, izoliramo spoj in nadaljujemo z navijanjem. Navijemo okrog 44 ovojev, če pa nekaj žice še ostane, jo navijemo do konca! S tem »šivanjem« naredimo transformatorju dodatno navitje, ki ga bomo uporabili kot vir napetosti, ki bo za približno 3 V bolj negativen v primerjavi z maso. Napetost 2,8 V smo dobili s padcem napetosti na serijski vezavi štirih diod, ki nastane, ko teče tok prek njih in serijsko vezanega zaščitnega upora. Upor izračunamo enako kot v primeru na sliki 3. Najvišji izhodni tok bo največ 15 mA, padec napetosti na diodah pa bo okrog 2,8 V.
Zaključek
To je bilo vse, kar sem vam želel predstaviti o vrstah, delovanju in praktični uporabi ter načrtovanju linearnih napetostnih regulatorjev.
Največkrat boste v svojih vezjih uporabili prav enega izmed danes omenjenih načinov stabilizacije enosmerne napajalne napetosti. Vse potrebne vrednosti elementov lahko izračunate po zgledih v tem prispevku. Res je, da linearni napetostni regulatorji niso ravno varčni, so pa zanesljivi, dajejo kvalitetno enosmerno izhodno napetost in so preprosti za uporabo. Za vse tiste, ki bi želeli čim bolj varčevati z energijo, (ostalim pa za razumevanje njihovega delovanja) bomo v prihodnjem nadaljevanju predstavili stikalne napetostne regulatorje, ki včasih dosegajo izkoristke tudi prek 90 %. Če morate napajati prenosno baterijsko napajano napravo, bo to kot nalašč za vas!
