Tekst źródłowy strony Stabilizator (elektronika)

'''Stabilizator''' – [[układ elektroniczny]], którego zadaniem jest utrzymywanie na wyjściu stałego [[napięcie elektryczne|napięcia]] (stabilizator napięcia) lub [[prąd elektryczny|prądu]] (stabilizator prądu) niezależnie od wahań napięcia zasilającego i od zmian [[obciążenie układu|obciążenia układu]]. Istnieją stabilizatory napięcia (prądu) [[prąd stały|stałego]] oraz stabilizatory napięcia (prądu) [[prąd przemienny|przemiennego]]. W praktyce stabilizatory prądu buduje się w oparciu o stabilizatory napięcia.

W stabilizatorach stosowane są zwykle obwody [[Sprzężenie zwrotne#Sprzężenie zwrotne ujemne|ujemnego sprzężenia zwrotnego]], w których następuje porównanie napięcia wyjściowego z wzorcowym [[Źródło napięciowe|źródłem napięcia]] o dużej stałości. W wyniku porównania powstaje sygnał sterujący, który wpływa na element regulacyjny tak, aby przeciwdziałać niepożądanym zmianom napięcia na wyjściu<ref name="Stabilizatory">{{Cytuj stronę | url = https://edw.elportal.pl/ea/stabilizatory.html | tytuł = Elektronika analogowa – stabilizatory | język = pl | data dostępu = 2022-09-04}}</ref>.

Stabilizatory dzielą się na dwie grupy: stabilizatory liniowe (o regulacji ciągłej) i stabilizatory impulsowe.

== Stabilizatory liniowe napięcia (prądu) stałego ==
[[Plik:Voltage Regulator.png|thumb|150px|Stabilizatory liniowe na napięcie 5&nbsp;V: po lewej 7805 (obudowa TO-220, ''I<sub>out</sub>''&nbsp;=&nbsp;1&nbsp;A), po prawej 78L05 (obudowa TO-92, ''I<sub>out</sub>''&nbsp;=&nbsp;100&nbsp;mA)]]

Początkowo stosowane były stabilizatory liniowe oparte na [[Element dyskretny|elementach dyskretnych]] ([[lampa elektronowa|lampy]], [[dioda Zenera|diody Zenera]], [[tranzystor]]y). Z czasem wyparły je stabilizatory w postaci [[układ scalony|układów scalonych]], charakteryzujące się lepszymi parametrami. Praktycznie wszystkie produkowane stabilizatory liniowe mają wbudowane obwody ograniczające prąd wyjściowy podczas przeciążenia, a także przy nadmiernym wzroście temperatury struktury krzemowej<ref name="EdW" />.

Stabilizatory liniowe można podzielić na cztery grupy<ref name="EdW" />:
* stabilizatory napięć dodatnich o ustalonym napięciu,
* stabilizatory napięć ujemnych o ustalonym napięciu,
* stabilizatory napięć dodatnich o napięciu ustalanym przez użytkownika,
* stabilizatory napięć ujemnych o napięciu ustalanym przez użytkownika.

Większość stabilizatorów liniowych jest budowana w formie układów trzykońcówkowych. Nie używa się już w popularnym sprzęcie stabilizatorów w drogich, metalowych obudowach TO-3, a tylko w plastikowych TO-220 i TO-92<ref name="EdW" />. Na schematach elektronicznych wejście stabilizatora jest oznaczane INPUT, IN lub I, wyjście – OUTPUT, OUT lub O, a masa – GROUND lub GND. W przypadku stabilizatorów o napięciu ustalanym przez użytkownika zamiast masy występuje wejście sterujące – ADJUST lub ADJ.

Najpopularniejsze stabilizatory napięć dodatnich pochodzą z serii 78XX, a napięć ujemnych – 79XX, gdzie dwie ostatnie cyfry określają napięcie wyjściowe. W środku oznaczenia może pojawić się dodatkowa litera informująca o maksymalnym prądzie pracy: L – 0,1&nbsp;A, M – 0,5&nbsp;A, bez litery – 1&nbsp;A lub 1,5&nbsp;A, S – 2&nbsp;A, T – 3&nbsp;A<ref name="Stabilizatory liniowe (2)">{{cytuj pismo|nazwisko = Górecki |imię = Piotr |tytuł = Stabilizatory liniowe (2) |url = http://www.elportal.pl/pdf/k01/10_09.pdf |czasopismo = Elektronika dla Wszystkich |data = 1996-10 |strony = 58–62 |język = pl |data dostępu = 2009-12-06}}</ref>. Przykładowo LM78L05 ma napięcie wyjściowe 5&nbsp;V i prąd do 0,1&nbsp;A, a LM79M15 – napięcie −15&nbsp;V i prąd 0,5&nbsp;A. Stabilizatory serii 78XX są produkowane na maksymalnie 24&nbsp;V, i analogicznie seria 79XX na maksymalnie −24&nbsp;V, więc większe liczby są wykorzystywane do oznaczania napięcia wyjściowego, z częścią dziesiętną np. stabilizator 7852 ma napięcie 5,2&nbsp;V, a 7885 – 8,5&nbsp;V<ref name="Stabilizatory liniowe (2)" />.

Wśród stabilizatorów o napięciu dobieranym przez użytkownika używane są układy [[LM317]] (napięcia dodatnie) i [[LM337]] (napięcia ujemne)<ref name="Stabilizatory liniowe (2)" />.

=== Parametry ===
[[Plik:Power supply with linear voltage regulator.svg|thumb|300px|Zasilacz transformatorowy ze stabilizatorem liniowym. Na wejściu i wyjściu stabilizatora znajdują się kondensatory filtrujące napięcie wejściowe oraz przeciwdziałające wzbudzeniu się układu]]
[[Plik:Ser stab.svg|thumb|Schemat prostego stabilizatora o zadanym napięciu]]
[[Plik:Stab ov.svg|thumb|Schemat prostego stabilizatora o regulowanym napięciu]]

Najważniejsze parametry stabilizatorów liniowych to:
* ''Nominalne napięcie wyjściowe'' ''U<sub>out</sub>'' i jego [[Tolerancja (technologia)|tolerancja]] (maksymalnie 5%, ale zwykle mniej)<ref name="EdW">{{cytuj pismo|nazwisko = Górecki |imię = Piotr |tytuł = Stabilizatory liniowe (1) |url = http://www.elportal.pl/pdf/k01/09_03.pdf |czasopismo = Elektronika dla Wszystkich |data = 1996-09 |strony = 54–61 |język = pl |data dostępu = 2009-12-03}}</ref>.
* ''Maksymalny prąd wyjściowy'' ''I<sub>out</sub>''. Każdy stabilizator zawiera obwody ograniczające prąd do pewnej ustalonej wartości, zwykle z zakresu od 100&nbsp;mA do 10&nbsp;A<ref name="EdW" />. Podawany w katalogach prąd wyjściowy jest wartością umowną. W rzeczywistości maksymalny prąd może być inny: zdecydowanie większy przy niskich temperaturach struktury, a niższy przy dużych napięciach pomiędzy wejściem a wyjściem<ref name="EdW" />.
* ''Zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego'' od ''U<sub>inmin</sub>'' do ''U<sub>inmax</sub>''.
* ''Minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem a wejściem stabilizatora, potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego'' (ang. ''dropout voltage''), oznaczany ''U<sub>DO</sub>''. Przy projektowaniu układu trzeba zwrócić uwagę, że w najgorszych warunkach pracy, czyli przy obniżonym o 10% napięciu sieci energetycznej i maksymalnym prądzie obciążenia, chwilowe napięcie na wejściu stabilizatora musi być wyższe od wymaganego napięcia wyjściowego co najmniej o wartość ''U<sub>DO</sub>''. Jeśli napięcie wejściowe zbytnio się obniży, stabilizator przestanie spełniać swoje zadanie i na jego wyjściu pojawiać się będzie napięcie niższe od zakładanego, co przy zasilaniu napięciem z tętnieniem odpowiada występowaniu tętnieniu na wyjściu, które może być równe tętnieniom na wejściu<ref name="EdW" />. Można przyjąć, że dla większości stabilizatorów napięcie ''U<sub>DO</sub>'' wynosi 3&nbsp;V<ref name="EdW" />.<br />Istnieje też specjalny rodzaj stabilizatorów, oznaczanych w katalogach LDO (ang. ''Low Drop Out''), które mogą pracować przy napięciu ''U<sub>DO</sub>'' rzędu 0,2...1&nbsp;V (np. układy serii LM2940, LM3940, LM78D, TS4274, LD1085, LF00AB, KA378, LM1086, L4940).
* ''Współczynnik stabilizacji napięciowej'' (ang. ''line regulation''), który jest wyrażony jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany napięcia wejściowego: <math>S_U = \frac{\Delta U_{out}}{\Delta U_{in}}.</math> Im mniejsza jego wartość, tym lepiej<ref name="Stabilizatory" />. Niekiedy podaje się pokrewny parametr – ''tłumienie tętnień'' (100...120&nbsp;Hz) wyrażane w [[decybel]]ach<ref name="EdW" />.
* ''Współczynnik stabilizacji prądowej'' (ang. ''load regulation''), który jest wyrażony jako stosunek zmiany prądu wyjściowego do zmiany prądu wejściowego. Im mniejsza jego wartość, tym lepiej.
* ''[[Rezystancja]]'' wyjściowa, określona wzorem: <math>R_{wy} = \frac{\Delta U_{out}}{\Delta I_{out}}</math><ref name="Stabilizatory" />. Rezystancja wyjściowa stabilizatorów z rodziny 78XX dla częstotliwości poniżej 1&nbsp;kHz wynosi zazwyczaj kilkadziesiąt [[Om (jednostka)|miliomów]] lub mniej. Oznacza to, że przy zmianie prądu o 1&nbsp;A napięcie obniży się nie więcej niż o kilkadziesiąt [[wolt|miliwoltów]]<ref name="EdW" />.
* ''Moc strat'' – jest to maksymalna moc, która może być rozproszona przez stabilizator w postaci ciepła, określona wzorem: <math>P= U_{IO} \cdot I_L,</math> gdzie <math>U_{IO}</math> to różnica napięć między wejściem a wyjściem stabilizatora, a ''I<sub>L</sub>'' to prąd płynący przez obciążenie. Stabilizator w małej plastikowej obudowie TO-92 może rozproszyć ok. 500&nbsp;mW, stabilizator w obudowie TO-220 bez radiatora – około 1&nbsp;W, stabilizator w obudowie TO-220 z radiatorem – od 5 do 30&nbsp;W, w zależności od [[rezystancja termiczna|rezystancji termicznej]] między strukturą a obudową i rezystancji termicznej radiatora<ref name="Stabilizatory liniowe (2)" />.
* ''[[Sprawność|Sprawność energetyczna]]'' – stosunek [[moc]]y oddawanej do odbiornika do mocy pobieranej ze źródła zasilania. Sprawność jest wyrażana w procentach i określana wzorem:<br /><math>\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \cdot 100\% = \frac{U_{out} \cdot I_{out}}{U_{in} \cdot I_{in}} \cdot 100\%</math><ref name="Stabilizatory" />.<br />Stabilizatory liniowe charakteryzują się generalnie niska sprawnością energetyczną. Sprawność stabilizatorów szeregowych jest zależna od napięcia wejściowego i wyjściowego stabilizatora i spada wraz ze wzrostem różnicy tych napięć. W przypadkach gdy różnica ta nie jest duża – sprawność może osiągać wysokie wartości.
* ''Prąd spoczynkowy stabilizatora'' – prąd pobierany przez sam stabilizator. Zazwyczaj wynosi od 3 do 6&nbsp;mA, ale w przypadku starszych stabilizatorów LDO przy małej różnicy napięć między wejściem a wyjściem ''U<sub>IO</sub>'' prąd spoczynkowy może wzrastać do 100&nbsp;mA. Przykładem jest stabilizator L4940, w którym szeregowym elementem regulacyjnym jest [[tranzystor bipolarny|tranzystor PNP]], potrzebujący znacznego prądu bazy dla osiągnięcia małego napięcia nasycenia ''U<sub>CE</sub>''. W stabilizatorach LDO nowszej generacji elementem regulacyjnym jest tranzystor polowy MOSFET P, dzięki czemu prąd spoczynkowy jest stały i wynosi kilka do kilkudziesięciu mikroamperów<ref name="Stabilizatory liniowe (2)" />.

== Stabilizatory impulsowe napięcia (prądu) stałego ==
Stabilizator impulsowy składa się z impulsowego układu przekazywania energii (stopnia mocy) oraz układu regulacyjnego (sterującego)<ref name="OdonFerenczi48">{{Cytuj książkę |nazwisko = Ferenczi |imię = Ödön |tytuł = Zasilanie układów elektronicznych. Zasilacze Impulsowe |wydawca = WNT |miejsce = Warszawa |data = 1989 |strony = 48 |isbn = 83-204-0963-2}}</ref>. Stabilizatory impulsowe utrzymują na wyjściu średnią wartość napięcia na zadanym poziomie poprzez okresowe włączanie i wyłączanie elementu przełączającego (kluczującego). Napięcie z elementu kluczującego jest [[Filtr (elektronika)|filtrowane]], w wyniku czego uzyskuje się napięcie o wymaganych parametrach. Stabilizatory tego typu charakteryzują się dużą sprawnością energetyczną (70–90%), niemal niezależną od różnicy napięcia wejściowego i wyjściowego. Ich konstrukcja wymaga zazwyczaj stosowania elementów dyskretnych w postaci [[Cewka|indukcyjności]] oraz [[kondensator]]ów. Ponadto ze względu na sposób działania, mogą wprowadzać zakłócenia. Stabilizatory impulsowe są stosowane w układach o większej mocy (od kilku watów wzwyż) oraz w układach, w których występuje duża różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym.

W roli stopni mocy stabilizatorów impulsowych napięcia stałego bez izolacji galwanicznej wykorzystywane są głównie następujące topologie nieizolowanych [[Przekształtnik energoelektroniczny|przekształtników]] DC/DC<ref name="OdonFerenczi77">{{Cytuj książkę |nazwisko = Ferenczi |imię = Ödön |tytuł = Zasilanie układów elektronicznych. Zasilacze Impulsowe |wydawca = WNT |miejsce = Warszawa |data = 1989 |strony = 77 |isbn = 83-204-0963-2}}</ref>:
* [[przekształtnik buck|obniżające (buck, step-down)]] – o napięciu wyjściowym niższym od wejściowego,
* [[Przekształtnik Boost|podwyższające (boost, step-up)]] – o napięciu wyjściowym wyższym od wejściowego,
* zmieniające polaryzację napięcia wyjściowego.

[[Separacja galwaniczna|Izolowane galwanicznie]] stabilizatory impulsowe zawierające [[transformator]] zasilany napięciem kluczowanym, są nazywane [[przetwornica napięcia|przetwornicami napięcia]] i są stosowane w układach zasilania sprzętu elektronicznego, w tym w [[Zasilacz komputera|zasilaczach komputerów]].

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Bibliografia ==
* {{Cytuj|autor = Andrzej Borkowski |tytuł = Układy scalone w stabilizatorach napięcia stałego |data = 1985 |isbn = 83-204-0644-7 |miejsce = Warszawa |wydawca = Wydawnictwa Naukowo-Techniczne |oclc = 830181093 }}

== Linki zewnętrzne ==
* [http://mikrokontrolery.blogspot.com/2011/03/Regulatory-napiecia-stabilizatory.html Regulatory napięcia (stabilizatory) – praktyka]

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Obwody elektroniczne]]