Stabilizatory liniowe nieregulowane

2. Dobór właściwego stabilizatora do urządzenia

Dobrze, rozpatrzmy teraz taki przypadek. Potrzebujemy napięcie wyjściowe rzędu +5V z zasilacza +12V. Obciążenie naszego układu będzie wynosi 0,5A. Zatem zobaczmy, który ze stabilizatorów będzie odpowiedni.

thermal data1

Jak widzimy, na samym początku odpada regulator w obudowie TO-92 ze względu na maksymalny prąd wyjściowy wynoszący 0,1A. Pozostały nam 3 stabilizatory do wyboru. Teraz moglibyśmy powiedzieć, że wybieramy ten, który nam lepiej pasuje bo przecież każdy będzie dobrze działać, ale jak popatrzymy całościowo na tabelkę to mamy jeszcze parametry takie jak Drop-Out Voltage, Rezystancja temperaturowa złącze-obudowa i złącze-otoczenie. Zatem przejdę do opisu po kolei:

Dropout Voltage

Ten parametr określa, o ile napięcie wejściowe musi być większe względem napięcia wyjściowego (stabilizowanego) aby układ stabilizatora działał poprawnie. Zatem dla regulatora 7805 w obudowie TO-220. Napięcie wejściowe powinno wynosić:

vd-przyklad1

Zatem widzimy, że układ do poprawnego działania potrzebuje minimalnie 7,5V napięcia wejściowego. Możemy łatwo zaobserwować, że jest to duża strata mocy, która zostanie przekształcona w ciepło. Dodatkowo producent dostarcza nam wykres zależności Dropout Voltage od temperatury złącza przy określonym obciążeniu stabilizatora:

wykres-dropout

Jak widzimy, im mniejsze obciążenie tym mniejsza wartość Vd. Gdy znamy tą zależność to możemy śmiało przejść do projektowania układu, wiedząc jak dropout voltage będzie się zachowywać przy danej wartości obciążenia.

Rezystancja temperaturowa złącze-otoczenie

Ten parametr określa jaka temperatura zostanie wydzielona (tak właściwie z jakim oporem bo to rezystancja) do otoczenia przez obudowę stabilizatora na 1 wat energii. Przy pomocy tego parametru możemy policzyć jaką temperaturę osiągnie nasz stabilizator. Dokonamy tego przy pomocy następujących wzorów (zakładając, że temperatura otoczenia wynosi 25*C i napięcie wejściowe wynosi 12V, a wyjściowe 5V):

Tj-przyklad1

Pierwsze co możemy spostrzec to, że na pewno poparzymy palucha, jak spróbujemy sprawdzić czy stabilizator się nagrzał :) Poza tym zobaczymy co mówi na ten temat nota katalogowa:

Max-ratings

W teorii mogłoby dojść do tego, że układ byśmy najzwyczajniej uszkodzili, ale jak widzimy po wartościach Io oraz Pd to możemy dojść do wniosku, że do tego nie dojdzie bo układ ma wewnętrzne ograniczenie wydzielanej mocy oraz prądu na wyjściu.

Co w tym przypadku możemy zrobić ? Najlepiej jest zejść z napięcia wejściowego. Policzmy teraz przypadek dla napięcia wejściowego równego sumie napięcia wyjściowego i dropout voltage:

Tj-przyklad2Niby niewielka zmiana ale różnica jest diametralna. Gdybyśmy chcieli natomiast policzyć dla bardziej realnego napięcia, czyli np. z zasilacza 9V to otrzymamy temperaturę równą 125*C co też mieści się w granicach pracy temperatury złącza.

Rezystancja temperaturowa złącze-obudowa

Ten parametr oznacza praktycznie to samo, z tą różnicą, że tutaj jest badany opór przeniesienia temperatury ze złącza na obudowę stabilizatora, ale przez metalową część obudowy połączoną bezpośrednio ze złączem stabilizatora. Już sama nazwa parametru wskazuje nam, że łatwiej będzie odprowadzana temperatura bezpośrednio ze złącza na metalowy element niż przez obudowę nie będącą tak dobrym przewodnikiem ciepła jak metal. Zobaczymy wyżej tabelkę wyżej co mówi nam nota katalogowa na ten temat. Jak widzimy dla obudowy TO-220 Rthjc jest mniejsze 10- krotnie, a w przypadku D2PAK to ponad 20-krotnie. Jeżeli bieżemy do obliczeń ten parametr to on ma tylko sens wtedy, kiedy stabilizator jest połączony z radiatorem.

Pozostała nam ostatnia rzecz do omówienia w tym zestawieniu.

Quiescent Current – prąd spoczynkowny (pobierany przez sam stabilizator)

Jak opisałem w teorii stabilizatora, to posiada on wewnątrz jakieś układy, które pozwalają utrzymać stałe napięcie, niezmienne od obciążenia, a jak wiemy- w życiu nie ma nic za darmo- to sam układ musi być jakoś zasilany. Tutaj sprawa głównie rozbija się o to ile stabilizator pobiera prądu. Zobaczymy co na ten temat wie nasz dobry znajomy- nota katalogowa:

quiescent current-7805

Przy temperaturze złącza równej 25*C, stabilizator będzie pobierać maskymalnie 6mA. Co przy napięciu wejściowym 12V będzie generował 72mW strat energii. Ale sama tabelka to nie wszystko zobaczymy na wykresy, jak będzie się ten prąd zachowywać, bo raczej nie będzie on stały bez względu na obciążenie:

quiescent current-7805-wykres

Wykres po lewej stronie to zależność prądu spoczynkowego od temperatury złącza przy stałym obciążeniu 0,5A. Jak widzimy najmniejszą wartość prądu spoczynkowego uzyskujemy przy temperaturze ok -50C i wynosi ona około 3,88 mA. Natomiast z drugiej strony mamy wykres zależności prądu spoczynkowego od napięcia wejściowego stabilizatora. Tutaj ukazuje nam się zależność, że im mniejsze napięcie wejściowe tym mniejszy prąd spoczynkowy. Zatem po tych dwóch wykresach możemy wywnioskować, że realnie najmniejszą wartość prądu spoczynkowego uzyskamy dla temperatury złącza równej 125C, ponieważ zakładam, że nie mamy takie substancji/ urządzenia żeby utrzymać temperaturę złącza w bardzo niskiej temperaturze. Z drugiej strony widzimy, że nasz układ może wytrzymać do 35V napięcia wejściowego, lecz jak wiemy z tego co policzyliśmy wyżej to temperatura układu zapewne przekroczy dopuszczalną temperaturę pracy stabilizatora i dodatkowo wartość prądu spoczynkowego wzrośnie.

Zatem mamy wyjaśnioną najważniejszą część teorii na temat stabilizatorów z rodziny 78xx, przejdźmy zatem do praktyki i pomierzmy sobie taki układ w następnym podpunkcie.