Stabilizátory napětí jsou jedny z nejpoužívanějších obvodů sloužící ke změně velikosti napětí. Téměř každé elektronické zařízení obsahuje nějaký typ stabilizátoru napětí. Vývoj těchto obvodů trvá již několik desítek let a za tu dobu došlo k významnému zlepšení parametrů i způsobu stabilizace. V tomto článku Vám popíšu nejznámější principy stabilizátorů napětí.

Základní rozdělení stabilizátorů napětí je na lineární a spínané stabilizátory napětí.

Lineární stabilizátory

Lineární stabilizátory využívají k snížení a stabilizaci napětí lineární prvek, například tranzistor. Na tomto prvku vzniká přesně definovaný úbytek napětí. Výstupní napětí je v případě lineárních stabilizátorů vždy nižší, než je napětí vstupní.

Mezi základní části stabilizátoru napětí patří regulační prvek (tranzistor) a zpětná vazba tvořená snímačem výstupního napětí, napěťovou referencí a napěťovým komparátorem, který vytváří regulační odchylku.

Nevýhodou lineárních stabilizátorů je nízká účinnost, jelikož celkový výkon přeměněný na teplo P = (U1 – U2) * I. Celková účinnost je závislá na rozdílu napětí mezi vstupem a výstupem. Pro velké rozdíly vstupního a výstupního napětí dochází k velkému ztrátovému výkonu, proto je nutné použití chladiče.

Výhodou je jednoduchá konstrukce, nízká cena, velmi málo externích součástek a hladké výstupní napětí.

Mezi nejběžnější lineární stabilizátory patří 78xx pro nenastavitelné kladné napětí, 79xx pro nenastavitelné záporné napětí, LM317 pro nastavitelné kladné napětí a LM337 pro nastavitelné záporné napětí.

Spínané stabilizátory

Spínané stabilizátory, často označovány jako DC/DC měniče, dokáží transformovat vstupní napětí na nižší, stejné nebo vyšší než vstupní. Spínané stabilizátory využívají zpětné vazby pro vytvoření regulační odchylky obdobně jako lineární. Spínané stabilizátory lze rozdělit podle použití cívky na měniče bez cívky (nábojová pumpa) a s cívkou.

Nevýhodou spínaných stabilizátorů je zvlnění výstupního napětí a možnost rušení okolních součástek na pracovním kmitočtu spínačů. Další nevýhodou je použití více pasivních součástek a vyšší cena oproti lineárním stabilizátorům.

Výhodou je vysoká účinnost a možnost zvýšení výstupního napětí

V ideální případě (nahrazení diod spínači) jsou celkové ztráty zanedbatelné a účinnost se pohybuje v rozmezí 90÷98 %.

Nábojová pumpa

Nábojové pumpy využívají pro změnu napětí náboj uložený v kondenzátoru a následné přepojování kapacit. Nábojové pumpy nejsou ve většině případů schopné dodat velký proud, proto se hodí spíše pro nízko příkonové aplikace. Typicky jsou schopné dodat proud v řádu mA. Další nevýhodou je nemožnost natavení libovolného napětí, ale pouze celočíselný násobek nebo dělitel vstupního napětí, například zdvojovač uvedený na obrázku.

V případě zdvojovače napětí je v prvním pracovním cyklu spínač v dolní poloze a na kondenzátoru C1 je napětí U1. V 2. pracovním cyklu je spínač v horní poloze a kondenzátor C2 je nabit na napětí 2 x U1, jelikož C1 je v tomto cyklu v sérii se vstupním zdrojem.

DC/DC měnič s cívkou

Tento typ spínaných zdrojů využívá k transformaci napětí indukčnosti. Oproti nábojovým pumpám jsou schopné dodat mnohonásobně větší proud. Jeho velikost je závislá na použitých součástkách. V závislosti na poměru mezi vstupem a výstupem rozlišujeme stabilizátory buck, boost a buck-boost.

Buck (step-down)

DC/DC měnič typu Buck slouží k snížení napětí. Principiálně lze tento měnič popsat jako PWM modulátor realizovaný pomocí spínače S a diody D, a filtru typu dolní propust tvořený cívkou L a kondenzátorem C.

Při sepnutém spínači prochází proud skrz cívku L do zátěže a zároveň se akumuluje v cívce energie. Po rozepnutí spínače se cívka snaží udržet stejnou velikost a směr proudu jako doposud. Tento proud dobíjí výstupní kondenzátor C. Dioda D uzavírá obvod tvořený cívkou a při sepnutém spínači je zavřená, tímto způsobem umožňuje nabíjení cívky.

Mezi nejznámější Buck stabilizátory patří řada LM2576, TSR 2 a R-78K.

Boost (step-up)

DC/DC měnič typu Boost slouží ke zvýšení napětí. Pro svou činnost využívá setrvačnosti akumulačních prvků, hlavně cívky. Vlastností cívky je snaha udržení konstantního proudu (obdobně jako kondenzátor se snaží udržet konstantní napětí).

V prvním pracovním cyklu je spínač sepnutý a skrz cívku L protéká velmi vysoký proud. V druhém pracovním cyklu je spínač rozepnutý a proud, který protékal skrz cívku bude téct do kondenzátoru a zátěže a v důsledku bude napětí na zátěži výšší než na vstupu.

Z naší nabídky Vám můžeme nabídnout například LT1961EMS8E nebo MCP1650R-E.

Buck-Boost

DC/DC měnič typu Buck-Boost slouží k snižováni i k zvyšování vstupního napětí. Principiálně vychází z kombinace předchozích dvou principů.

Tento princip kombinuje režim Buck a Boost. V případě Buck režimu je spínač S2 rozepnut a spínačem S1 je cyklus řízen. Pro Boost režim je spínač S1 sepnut a S2 řízen. Nevýhodou Buck-Boost konvertoru je invertace výstupního napětí oproti vstupnímu.

SEPIC

DC/DC měnič typu SEPIC (Single-ended primary-inductor converter) je obdoba Buck-Boost s několika obměnami. Tento typ umí výstupní napětí zvyšovat i snižovat.

Základem zapojení je zvyšující měnič. Výhodou je galvanické oddělení vstupu s výstupem kondenzátorem C2, nižší elektromagnetické vyzařování díky nepřerušování napájecího napětí a tento typ lze provozovat i naprázdno. Výhodou oproti klasickému Buck-Boost je neinvertování výstupního napětí. Nevýhodou je nutnost použití dvou cívek.

Doporučená literatura

Krejčiřík , A.:  Napájecí zdroje I. , BEN Praha 1996

Krejčiřík , A.:  Napájecí zdroje III. , BEN Praha 1999

Krejčiřík , A.:  DC-DC měniče , BEN Praha 2001