Článek částečně navazuje na jiný článek uvedený na HW serveru. Odkaz na něj je uvedený níže. Autor se v něm zabývá jen postupem návrhu transformátoru, usměrňovače a filtrace. Tento článek popisuje další obvody ve zdroji.

Blokové schéma regulovaného lineárního zdroje:

ST – síťový transformátor
US – usměrňovač
RČ – regulační člen
P – regulační potenciometr
+Uref – zdroj referenčního napětí
Ai – proudový zesilovač odchylky
Au – napěťový zesilovač odchylky
F1 – vstupní filtr
F2 – výstupní filtr
Us – výstupní napětí
kUs – poměr výstupního napětí

 

Popis stabilizátoru napětí:

Regulační člen je akčním prvkem stabilizátoru. Obvykle tuto činnost zastává bipolární tranzistor, který pracuje jako spojitě proměnný odpor.

Zpětnovazební regulace je založena na existenci malé a vzhledem k Us zanedbatelné odchylce ΔU. Tato odchylka je mezi referenčním napětím Uref a výstupním stabilizovaným napětím kUs a je vždy nenulová. Změnou poměru odporů na potenciometru P lze upravovat velikost výstupního stabilizovaného napětí v širokých mezích. Zesílené napětí ΔU ovládá odpor regulačního tranzistoru. Tranzistor je ovládán zápornou zpětnou vazbou tak, aby byl potlačen vliv vnějších podmínek na stabilitu Us. Jako vnější podmínky se uvažují například kolísání sítě nebo změny zatěžovacího proudu.

Jelikož se jako regulační člen používá většinou bipolární tranzistor, potřebujeme určitý budící výkon. Proto je součástí stabilizátoru většinou i proudový zesilovač odchylky Ai. Například Darlingtonův tranzistor.

Filtr F2 slouží ke kmitočtové kompenzaci regulační smyčky. Potlačuje také šumová napětí na výstupu.

Dlouhodobá a teplotní stabilita regulátoru je v zásadě určena pouze stabilitou referenčního napětí Uref.

Jsou dvě základní možnosti použití regulátorů v obvodu. Jsou to regulátory sériové a paralelní. Každý z nich má nějaké výhody a nějaké nevýhody, které budou dále popsány.

Sériové regulátory:

Proudový zesilovač odchylky řídí výkonový člen, ke kterému je v sérii připojena zátěž. Sériové stabilizátory jsou výborným prostředkem pro omezení vlivu velkých změn vstupního napětí a změn zátěže. Při normální činnosti může na výkonovém členu ležet podstatně menší napětí, než je napětí na zátěži. Proud který teče výkonovým členem je roven proudu zátěže. Toto je ale největší nevýhodou sériových regulátorů. Pokud totiž nastane zkrat na výstupu z regulátoru, je na výkonovém členy plné napětí a prochází jím velký zkratový proud. Pokud není zařízení proti tomuto stavu nějak chráněno dochází zpravidla ke zničení výkonového členu. Proto je nutné konstruovat ochranné obvody proti přetížení a zkratu. Tyto obvody musí být velmi rychlé. Tavná pojistka je nevyhovující. Je pomalá.

Nejjednodušší zapojení sériového stabilizátoru bez zpětné vazby:

Tranzistor pracuje jako emitorový sledovač. Zvětšuje výstupní výkon paralelního regulátoru RD a zmenšuje jeho dynamický odpor. Výstupní napětí je pak Uz-Ube.
Proud zenerovou diodou vypočítáme podle vztahu:
Iz=(Uvst-Uvýst)/R
Velikost rezistoru pak podle:
R=(Uvst-Uvýst)/Iz*h21

Jednoduché zapojení sériového stabilizátoru se zpětnou vazbou:

Předchozí zapojení je doplněno jedním tranzistorem (T2), který funguje jako zesilovač odchylky. Proud zenerovou diodou je určen rezistorem R4. Zenerova dioda udržuje emitor T2 na stálém napětí. Tranzistor T2 je uzavřený, pokud je na rezistoru R2 nižší napětí než je napětí Uz+Ube. Když napětí na R2 vzroste nad součet napětí Uz+Ube tak se tranzistor T2 začne otevírat. Tím se odvádí proud, který teče rezistorem R3. Jelikož se snižuje proud tekoucí do báze T1, začne se tento tranzistor zavírat. Tím se zvětšuje jeho vnitřní odpor a zmenšuje se napětí na výstupu a tudíž i na R2. Zpětná vazba upravuje velikost napětí na R2 tak, aby byla blízká hodnotě Uz+Ube.
Výstupní napětí se určí podle vztahu:
Uvýst=(Uz+Ube)/R2*(R1+R2)

Nevýhoda těchto regulátorů je teplotní závislost napětí Ube na tranzistoru T2. Změna napětí je cca -2mV/°C. Tato změna se bude přenášet na výstup regulátoru.

Lepších výsledků se dosahuje s použitím operačního zesilovače jako chybového zesilovače.

Stabilizátor s operačním zesilovačem:

Referenční napětí se přivádí na neinvertují vstup operačního zesilovače. Na invertující vstup se přivádí zpětnovazební napětí z odporového děliče, tvořeného rezistory R2 a R3. Pokud se výstupní napětí zvýší nad referenční, výstupní napětí zesilovače se zmenší a tím se začne uzavírat regulační tranzistor. Zvýší se tím jeho odpor a výstupní napětí klesne. Operační zesilovač se snaží udržet mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem nulové napětí.

Protizkratová ochrana:

Pokud nastane u sériového regulátoru bez protizkratové ochrany zkrat na výstupních svorkách, tak to má za následek, obvykle, zničení sériového regulačního prvku. Při zkratu bude totiž na tranzistoru plné vstupní napětí a bude jím procházet maximální proud, který je primární zdroj schopen dodat. Ve většině případů dojde k tepelnému průrazu tranzistoru. Jak již bylo uvedené výše, tak použití tavné pojistky je nevyhovující. Je pomalá. Proto se používají ochrany elektronické.

Elektronická ochrana spočívá v omezení zkratového proudu, který vyvolá ztrátový výkon, na bezpečnou hodnotu. Ochrana musí být hodně rychlá a po odstranění zkratu se regulátor musí vrátit do normální funkce. Ochrana dále nesmí ovlivňovat funkci regulátoru při normální činnosti.

Jako nejjednodušší je použití omezovacího rezistoru, který je zapojen v sérii s regulačním prvkem. Pokud dojde ke zkratu, tak je maximální proud omezen tímto rezistorem na hodnotu, která není destruktivní pro tranzistor. Tato metoda má ale také nevýhody. Omezovací rezistor na sobě rozptyluje ztrátový výkon i při normální činnosti regulátoru.

Nejčastěji se používá zapojení s dalším tranzistorem pro hlídání proudového přetížení. S regulačním prvkem je opět připojen v sérii rezistor, ale s podstatně menší hodnotou. Pokud při proudovém přetížení vzroste úbytek na rezistoru na velikost cca 0,7V tak se začne otevírat tranzistor T2. Tím se zmenšuje velikost odporu mezi bází a emitorem tranzistoru T1 a ten se začne uzavírat. Nevýhoda spočívá ale v tom, že pokud bychom chtěli změnit maximální hodnotu propustného proudu, tak musíme změnit rezistor.

Způsobů na ochranu obvodu proti zkratu je mnoho. Některé jsou vhodné pro pevně nastavené zdroje a některé i pro zdroje regulovatelné. Většina proudových ochran, pokud nastane zkrat, omezí proud na maximální možnou hodnotu. Tento proud pak teče sériovým prvkem až do odstranění zkratu. Existuje ale i ochrana, která při zkratu zkratový proud sníží. Při zkratu nastává zpětný ohyb zatěžovací charakteristiky regulátoru. Na regulačním prvku poté není tak velký ztrátový výkon. Tato ochrana se nazývá fold-back. Tato ochrana je ale použitelná jen na pevně nastavené napájecí zdroje. Není vhodná na regulované.

Paralelní regulátory:

Paralelní regulátory mají uplatnění ve zdrojích stálého napětí. Blokové schéma takto řešeného zdroje je uvedeno níže. Výstup primárního zdroje je veden k pomocnému obvodu paralelního regulátoru. Tento obvod ovládá výkonový člen, ke kterému je paralelně připojena zátěž. Pomocný obvod řídí výkonový člen tak, aby na něm bylo stálé napětí.

Nevýhody těchto zdrojů jsou, že pokud se zmenšuje proud zátěží, zvětšuje se proud výkonovým členem. Pokud zátěž odpojíme úplně, spotřebovává se celý výkon zdroje na výkonovém členu zdroje. Tento člen musí být na takovýto výkon dimenzován.

Výhodou je, že paralelní regulátor je odolný proti zkratu na výstupu. Tato odolnost se ale vztahuje jen na výkonový člen. Primární zdroj a pomocný obvod mohou být zkratem přetíženy. Proto se musí navrhnout tak, aby tento stav vydržely. Velkou výhodou paralelního regulátoru je jeho schopnost propouštět proud, který je dodáván aktivní zátěží.

PZ – primární zdroj
PO – pomocný obvod
V – výkonový člen
Z – zátěž

Nejjednodušší regulátor se stabilizační diodou:

Nejjednodušší paralelní regulátor je realizován zenerovou diodou v sérii s rezistorem. Pomocným obvodem je rezistor R a výkonovým členem je zenerova dioda. Rezistor R musí být podstatně větší než je dynamický odpor zenerovy diody.

Paralelní regulátory s výkonovými tranzistory:

Na tento obvod lze koukat jako na ekvivalent výkonové zenerovy diody. Výstupní napětí je dáno součtem napětí Uz a napětí Ube tranzistoru. Výstupní dynamický odpor regulátoru je tím menší, čím větší je proudový zesilovací činitel h21e tranzistoru. Velikost rezistoru R určíme podle vztahu:
R=(Uvst _max -Uvýst)/Ivýst_max

Tranzistor volíme takový, aby jeho ztrátový výkon Pmax za daných podmínek byl větší než je součin IcUvys.

Zhodnocení:

Účinnost paralelního regulátoru je poměrně malá. Z principu regulace se totiž značné množství výkonu spotřebovává na sériovém rezistoru. Další výkon se pak rozptyluje na výkonovém tranzistoru. Účinnost paralelního regulátoru je v nejlepším případě pod 50%. Proto se tyto regulátory používají jen zřídka. Jsou vhodné tak, kde převládá požadavek na jednoduchost, malý počet součástek a odolnost proti zkratu. Nejsou vhodné pro větší odebírané proudy. Hodí se pro proudy do cca 1A. Pro větší proudy a možnosti regulace jsou vhodnější sériové regulátory s vhodně dimenzovaným výkonovým členem.

Použité materiály a odkazy:

• Návrh stejnosměrného zdroje napětí - http://www.hw.cz/Produkty/Obecne-produkty/ART1091-Navrh-stejnosmerneho-zdroje-napeti.html
• Elektronické napájecí zdroje a akumulátory, Hammerbauer J., ZČU, 1998
• různá Arádia