Η διαθεσιμότητα σταθεροποιητών υπό μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος, οδήγησε στον απλοποιημένο σχεδιασμό των τροφοδοτικών. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα σταθεροποίησης τάσης είναι διαθέσιμα και παρέχουν μια ποικιλία τάσεων εξόδου και υλοποιημένα σε αντοχή για συγκεκριμένη κατανάλωση ισχύος. Σήμερα είναι σχεδόν σπάνιο να βρούμε τροφοδοτικά κατασκευασμένα με διακριτά στοιχεία, όπως περιγράφηκαν σε προηγούμενη ενότητα.
Ο δημοφιλής τύπος σταθεροποιητή 78Xxx (όπου το Χ είναι ο τύπος και xx δείχνει την τάση εξόδου), χρησιμοποιεί την ίδια αρχή λειτουργίας των σταθεροποιητών με διακριτά στοιχεία, σαν αυτή που παρουσιάσαμε σε προηγούμενη ενότητα, αλλά εδώ με μεγαλύτερη κυκλωματική πολυπλοκότητα. Για ένα σταθεροποιητή της σειράς 78xx, η τάση εξόδου κρατείται σταθερή, ανεξάρτητη της τιμής του ρεύματος (το ρεύμα πρέπει να είναι μικρότερο από μια προκαθορισμένη τιμή). Ο ακόλουθος πίνακας δείχνει μια επισκόπηση του βασικού σταθεροποιητή τύπου LM78Xxx.
Τάση υποβίβασης
Ένα βασικό στοιχείο που δίνεται στα φυλλάδια δεδομένων του κατασκευαστή, είναι η τάση υποβίβασης, που ορίζεται σαν την ελάχιστη πτώση τάσης μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του ολοκληρωμένου κυκλώματος του σταθεροποιητή, κατά την διάρκεια της λειτουργίας του.
Η τάση υποβίβασης για τον σταθεροποιητή που περιγράφουμε, δεν πρέπει να γίνει μικρότερη από μια χαρακτηριστική τιμή. Π.χ. για τον LM7805 ο οποίος παρέχει τάση 5V στην έξοδο η τάση στην είσοδο δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 5V+2,5V = 7,5V (η τάση υποβίβασης είναι 2,5V). Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά των τάσεων εισόδου – εξόδου (τάση υποβίβασης) τόσο μεγαλύτερη ισχύ καταναλώνεται και τόσο πιο θερμό γίνεται το ολοκληρωμένο κύκλωμα. Ένας σταθεροποιητής της σειράς 78xx πρέπει να έχει μια μέγιστη τάση εισόδου για να μην καταστραφεί (βλέπε πίνακα).
Για παράδειγμα το LM7805 παρέχει 1Α στα 5V στο φορτίο, που σημαίνει ότι το φορτίο καταναλώνει 5 Watts. Αν η τάση εισόδου είναι 8V και το ρεύμα στον σταθεροποιητή παραμένει το ίδιο στα 1Α με αποτέλεσμα να έχουμε ολική κατανάλωση 8W, οπότε ο σταθεροποιητής καταναλώνει 8W – 5W = 3W. Αν η τάση εισόδου γίνει 20V για παράδειγμα, τότε η ισχύς που καταναλώνεται στον σταθεροποιητή είναι 20V x 1A = 20W μείον 5W που καταναλώνεται στο φορτίο, δηλαδή η κατανάλωση στον LM7805 είναι εδώ ίση με 15W.
Μειώνοντας την AC κυμάτωση
Στο σχήμα φαίνεται το διάγραμμα ενός τροφοδοτικού το οποίο χρησιμοποιεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα της σειράς 78xx για την σταθεροποίηση τάσης. Σημειώστε ότι οι πυκνωτές C1 και C2 είναι μικρότεροι από εκείνους ενός τροφοδοτικού με διακριτά εξαρτήματα. Ο πυκνωτής εξομάλυνσης δεν είναι απαραίτητο να έχει μεγάλη τιμή καθώς η σταθεροποιητική δράση του IC προκαλεί μείωση της AC κυμάτωσης σε μερικά μιλιβόλτς στην έξοδο.
Ο πυκνωτής C2 τώρα δεν είναι μέρος ενός παραδοσιακού κυκλώματος φίλτρου, αλλά χρησιμοποιείται για προστασία από απότομες αλλαγές στην εναλλασσόμενη τάση στην είσοδο του τροφοδοτικού και τυχόν μεταβολές στο φορτίο.
Τροφοδοτικό θετικής τάσης με τον σταθεροποιητή της σειράς 78xx
Το παραπάνω σχηματικό διάγραμμα, δείχνει ένα τροφοδοτικό με σταθεροποιητή ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα της σειράς 78xx. Σε αυτό ο μετασχηματιστής υποβιβάζει την τάση δικτύου των 220V στην επιθυμητή εναλλασσόμενη τάση που γενικά είναι μικρότερης τιμής. Η γέφυρα ανόρθωσης του τροφοδοτικού που παρουσιάζουμε εδώ, ακολουθεί τον τύπο πλήρους κύματος. Μετά τη γέφυρα ακολουθεί ο πυκνωτής εξομάλυνσης, που χρησιμοποιείται για να καλύπτει με τάση το κενό των DC παλμών από τον ανορθωτή και στη συνέχεια το ρεύμα οδηγείται στο ολοκληρωμένο κύκλωμα του σταθεροποιητή της σειράς 78xx.
Στο ακόλουθο διάγραμμα φαίνεται ένα διπλό τροφοδοτικό που παρέχει θετική και αρνητική τάση στην έξοδο. Χρησιμοποιεί ένα μετασχηματιστή με μεσαία λήψη στο δευτερεύον, η οποία είναι συνδεμένη με το μηδενικό δυναμικό (γείωση) των τάσεων εξόδου. Κάθε τμήμα του δευτερεύοντος σχετίζεται με την παραγωγή της θετικής και αρνητικής τάσης εξόδου. Βλέπουμε ότι έχει μια απλή γέφυρα με τέσσερις διόδους, που τροφοδοτεί τους δυο σταθεροποιητές τάσης. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα της σειράς 78xx είναι υπεύθυνο για την παραγωγή της θετικής σταθεροποιημένης τάσης εξόδου, ενώ εκείνο της σειράς 79xx είναι υπεύθυνο για την παραγωγή της αρνητικής σταθεροποιημένης τάσης εξόδου. Βλέπουμε τους πυκνωτές εξομάλυνσης μετά την γέφυρα ανόρθωσης, που συνδέονται με την κατάλληλη πολικότητα, όπως φαίνονται στο σχήμα.
Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η διάταξη ακροδεκτών των σταθεροποιητών τάσης της σειράς 78xx που είναι υπεύθυνοι για την παραγωγή θετικών σταθεροποιημένων τάσεων εξόδου.
Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η διάταξη ακροδεκτών των σταθεροποιητών τάσης της σειράς 79xx που είναι υπεύθυνοι για την παραγωγή αρνητικών σταθεροποιημένων τάσεων εξόδου.
Σταθεροποιητής με το LM78xx και τρανζίστορ ισχύος
Σε προηγούμενη ενότητα περιγράψαμε σταθεροποιητές υπό μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος. Όμως για την σειρά των 78xx το μέγιστο ρεύμα που μπορούν να δώσουν στο φορτίο είναι έως 1A. Στις εφαρμογές που χρειαζόμαστε ρεύμα μεγαλύτερο του 1Α θα πρέπει να προσθέσουμε κατάλληλα τρανζίστορ ισχύος. Στο ακόλουθο κύκλωμα χρησιμοποιούμε το LM7805 τα τρανζίστορ ισχύος Τ3 και Τ2 και μαζί με πυκνωτές εξομάλυνσης και μερικές αντιστάσεις παίρνουμε τάση εξόδου 5V με μέγιστο ρεύμα 3Α.
R1=330Ω, R2=470Ω, R3=0,18Ω / 5Watt, R4=47Ω, R5=18Ω
C1=4700μF/16V, C2=10μF/16V
D1=LED, T1=BC557B, T2=BD140, T3=MJ2955, IC1=7805
Ψύκτρες για τα τρανζίστορ ισχύος.
Για πολύ μικρά ρεύματα το 7805 λειτουργεί ως συνήθως. Εάν το ρεύμα περάσει τα 15mA τότε η πτώση τάσης πάνω στην R4 ανεβαίνει, αυξάνοντας την τάση πόλωσης βάσης – εκπομπού του Τ3, με αποτέλεσμα το τρανζίστορ Τ3 τεθεί σε αγωγιμότητα. Το τρανζίστορ Τ2 χρησιμεύει για προστασία του Τ3 από βραχυκύκλωμα.
Για ρεύματα πάνω από 3Α η τάση πάνω στην R3 γίνεται τόση μεγάλη ώστε είναι αρκετή να οδηγήσει το τρανζίστορ T2 σε αγωγιμότητα. Σε αυτή την περίπτωση το δυναμικό στη βάση του Τ3 αυξάνει και γίνεται περισσότερο θετικό και κατά συνέπεια η τάση εκπομπού – βάσης του Τ3 μειώνεται με αποτέλεσμα το τρανζίστορ Τ3 δεν θα είναι ικανό να δώσει ρεύμα μεγαλύτερο από μια μέγιστη τιμή (εδώ είναι τα 3Α).
Παράλληλα προς το Τ2 είναι συνδεμένο το Τ1 το οποίο οδηγεί σε φωτοβολία την D1 όταν λειτουργεί η προστασία έναντι βραχυκυκλώματος. Η αντίσταση R5 χρησιμοποιείται σαν περιοριστής ρεύματος για τον σταθεροποιητή 7805. Σε περίπτωση μεγάλων ρευμάτων, το Τ2 γεφυρώνει την R4 έτσι ώστε ο 7805 εάν δεν είχε την R5 θα έπαιρνε όλο το φορτίο.
Για να λειτουργήσει το κύκλωμα χρειάζεται ένας μετασχηματιστής με AC τάση στο δευτερεύον ίση με 9V όπου μετά την ανόρθωση να έχουμε DC τάση 12V.
Σταθεροποιητές με θετική ρυθμιζόμενη τάση εξόδου: LM317 και LM338
Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα LM317 και LM338 είναι τριών ακροδεκτών ρυθμιζόμενοι σταθεροποιητές, που παρέχουν θετική τάση στην έξοδο. Αυτοί οι σταθεροποιητές είναι ικανοί να δώσουν ρεύμα μέχρι 1,5Α για τον LM317 και ρεύμα μέχρι 5Α για τον LM338 και στα δύο η τάση εξόδου μπορεί να ρυθμιστεί σε μια περιοχή από 1,25V έως 37V.
Με την χρήση δυο αντιστάσεων, την μια μεταξύ των ακροδεκτών OUTPUT και ADJUST και την άλλη μεταξύ του ακροδέκτη ADJUST και του GND, μπορούμε να ρυθμίσουμε την σταθεροποιημένη τάση εξόδου, σαν πηγή τάσης. Με την σύνδεση μιας αντίστασης μεταξύ των ακροδεκτών ADJUST και OUTPUT ο σταθεροποιητής μπορεί να λειτουργήσει σαν πηγή ρεύματος, παρέχοντας σταθερό ρεύμα στην έξοδο.
R1=240Ω R2=4,7ΚΩ, D1, D2=1N4002, C1=2200μF/25V, C2=100μF/25V, C3=10μF/25V
Μπορούμε να τοποθετήσουμε ένα πυκνωτή στην έξοδο για να έχουμε σταθερότητα τάσης. Επίσης ένας πυκνωτής πρέπει να συνδεθεί μεταξύ του ακροδέκτη ADJUST και GND για να έχουμε μεγάλη απόρριψη της AC κυμάτωσης.
Τα LM317 και LM338 προβάλουν περιορισμό ή διακοπή ρεύματος, αν το ρεύμα στην έξοδο ξεπεράσει μια προκαθορισμένη τιμή. Επίσης αυτοί οι σταθεροποιητές προκαλούν διακοπή του ρεύματος στην περίπτωση υπερθέρμανσης για προστασία από πιθανή βλάβη.
Η τοπολογία στην έξοδο με τα τρανζίστορ ΝΡΝ Darlington, παρέχει χαμηλή αντίσταση εξόδου με ένα πυκνωτή στην έξοδο να είναι προαιρετικός. Μια διαφορά τάσης 3V μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου και εξόδου του IC σταθεροποιητή συνίσταται για να έχουμε το μέγιστο ρεύμα στην έξοδο με την χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία.
Τα LM317 και LM338 έχουν εσωτερικά ένα τελεστικό ενισχυτή με τάση 1,25V offset. Η είσοδος του τελεστικού ενισχυτή συνδέεται στον ακροδέκτη ADJUST, που με αυτό τον τρόπο παρέχεται μια ρυθμιζόμενη τάση ή ρυθμιζόμενο ρεύμα στην έξοδο (όχι και τα δυο μαζί). Στις εφαρμογές σταθεροποίησης ρεύματος, μια απλή αντίσταση με τιμή R=1,25V/I0 και ισχύ τουλάχιστον (1,25)2/R θα πρέπει να συνδεθεί μεταξύ των ακροδεκτών OUTPUT και ADJUST όπως φαίνεται στο σχήμα.
Για σταθεροποίηση τάσης θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν δυο αντιστάσεις: Η αντίσταση R1 μεταξύ των ακροδεκτών OUTPUT και ADJUST και την ρυθμιζόμενη αντίσταση R2 μεταξύ του ακροδέκτη ADJUST και GND. Η τάση εξόδου V0 δίνεται από τον τύπο:
Όπου που ο τελευταίο όρος μπορεί να παραληφθεί στις περισσότερες εφαρμογές.
Η διάταξη ακροδεκτών των LM317 και LM338 σε συσκευασία TO-220 είναι η ακόλουθη:
Σταθεροποιητής με ρυθμιζόμενη αρνητική τάση εξόδου: LM337
Το LM337 είναι ένας τριών ακροδεκτών, ρυθμιζόμενος σταθεροποιητής, που παρέχει αρνητική τάση εξόδου. Μπορεί να δώσει ρεύμα στην έξοδο έως 1,5Α για μια ευρέα περιοχή τάσεων εξόδου από -1,25V έως -37V. Για την λειτουργία του χρειάζεται δυο αντιστάσεις για την ρύθμιση της τάσης εξόδου, μαζί με ένα πυκνωτή στην έξοδο. Επίσης ένας πυκνωτής πρέπει να συνδεθεί μεταξύ του ακροδέκτη ADJUST και GND για σταθερότητα.
R1=240Ω R2=4,7ΚΩ, D1, D2=1N4002, C1=2200μF/25V, C2=100μF/25V, C3=10μF/25V
Το LM337 παρέχει περιορισμό ρεύματος όταν το ρεύμα εξόδου πιάσει μια μέγιστη τιμή και προκαλεί διακοπή λειτουργίας στην περίπτωση υπερθέρμανσης.
Κατά την λειτουργία το LM337 αναπτύσσει σταθερή τάση -1,25V μεταξύ των ακροδεκτών OUTPUT και ADJUST. Η τάση αναφοράς αναπτύσσεται στα άκρα της αντίστασης R1 (240Ω για παράδειγμα) και επειδή η τάση είναι σταθερή ένα σταθερό ρεύμα ρέει στην αντίσταση εξόδου R2 με αποτέλεσμα να εμφανίζεται σταθερή τάση στην έξοδο που έχει τιμή:
Όπου που ο τελευταίο όρος μπορεί να παραληφθεί στις περισσότερες εφαρμογές.
Η διάταξη ακροδεκτών του LM337 σε συσκευασία TO-220 είναι η ακόλουθη:
