Poniższy artykuł jest pierwszym z cyklu artykułów poświęconych czytaniu kart katalogowych elementów dyskretnych. Na pierwszy ogień bierzemy liniowe stabilizatory napięcia. Wydawać się może, że stabilizatory liniowe - tak popularne i proste urządzenia półprzewodnikowe - nie mają zbyt wiele zawiłości. Okazuje się jednakże, że układy te mają szereg cech i parametrów, które nie są oczywiste na pierwszy rzut oka.
Stabilizatory liniowe produkowane są w różnych kształtach i rozmiarach. Jako że "obraz wart jest tysiąc słów", poniżej zaprezentowano dwa przykładowe stabilizatory na płytkach drukowanych jakichś urządzeń.
Dla osób, które nie wiedzą, czym są liniowe stabilizatory napięcia: są to elementy liniowe, które wykorzystują tranzystor, pracujący w swoim zakresie liniowym wraz z pętlą sprzężenia zwrotnego tak, aby na wyjściu elementu obecne było zawsze takie samo, stabilne napięcie - stąd ich nazwa. Tego rodzaju elementy scalone są dostępne na rynku od dziesiątek lat i są typowo stosowane w wielu systemach.
Zalety i wady
Stabilizatory liniowe są dosyć kompaktowe i proste do wykorzystania w urządzeniu. Dodatkowo, w odróżnieniu od stabilizatorów impulsowych, układy te nie wymagają do działanie zewnętrznych cewek itp. Płytki drukowane pod te elementy są proste, a stabilizowane napięcie pozbawione szumów czy tętnień. Co mogłoby być tutaj problemem?
Na pierwszy rzut oka wydaje się, że układy te są pozbawione poważniejszych wad. Niestety jest szereg istotnych kwestii, których powyższe najprostsze podejście nie obejmuje. Zasadniczą kwestią w przypadku wad tych układów jest niska sprawność tych układów.
Typowym stabilizatorem liniowym, jaki stosuje się w układach elektronicznych jest np. LM7805, stabilizujący napięcie 5 V. Obecnie jest coraz mniej popularny, z uwagi na fakt, że coraz więcej systemów zasilanych jest niższym napięciem. Wraz z tym stabilizatorem napięcia dodatniego, współwystępuje LM7905 - stabilizujący napięcie -5 V. Dodatkowo występują stabilizatory regulowane, takie jak LM317. Układy te dostępne są od wielu lat i oprócz dodania do listy dostępnych elementów układów w obudowie do montażu powierzchniowego (SMD) niewiele się one zmieniają.
Czytanie kart katalogowych
Można by się spodziewać, że skoro elementy te są dostępne na rynku od tak dawna, to w ich kartach katalogowych nie ma żadnych niejasności czy niedopowiedzeń. Niestety - nic bardziej mylnego. Jeśli nie wiemy czego dokładnie szukamy w tym dokumencie, to możemy nie otrzymać potrzebnych na informacji. Niestety - karty katalogowe tych elementów nie zmieniają się od od lat i cały czas pozostają w podobny sposób niejasne dla laików i początkujących elektroników.
Jako przykład weźmy stabilizator napięcia dodatniego LM340 produkcji Texas Instruments. Poniżej zamieszczono część pierwszej strony karty katalogowej tego elementu pobraną ze strony TI.
Po pierwsze, widzimy, że dokument ten opisuje nie tylko LM340, ale także całą rodzinę układów LM340A oraz LM7805A. Widzimy, że LM340A jest opisany osobno, jeśli chodzi o tolerancję napięcia oraz stabilizację napięcia. Jako że jest to lista głównych cech, a nie ścisły spis parametrów, możemy wywnioskować z tego opisu, że ten konkretny układ jest lepszy od pozostałych. W samej karcie katalogowej znajdujemy potwierdzenie tego - autorzy nazywają układ LM340A "wersją o wyższych parametrach".
Czytając dalej, widzimy, że nawet w tytule napisany jest prąd 1,5 A, ale już w liście podstawowych parametrów widzimy napis "do 1,5 A" (wytłuszczenie redakcji). Co to oznacza? Można by pomyśleć, że można by zastosować taki element w układzie i pobrać z jego wyjścia do 1,5 A bez wielkiego trudu. Niestety, elektronika nie jest tak trywialna, a słowo "do" ma tutaj inne znaczenie. Oczywiście, nie oznacza to, że nie można pobierać z takiego stabilizatora takiego prądu, koniecznie jednak trzeba wiedzieć, co ogranicza go w naszym systemie. Aby się tego dowiedzieć, musimy bliżej przyjrzeć się karcie katalogowej naszego stabilizatora.
Na dole pierwszej strony widzimy, że układ ten dostępny jest w wielu różnych obudowach. Ich wyprowadzenia opisane są na stronie trzeciej, a na stronie czwartej dokumentu znaleźć możemy maksymalne warunki pracy oraz rekomendowane warunki pracy układy, włącznie z informacjami na temat maksymalnej temperatury pracy układu i rezystancji cieplnej złącza (tj. struktura krzemowa wewnątrz elementu) - otoczenie. W tym miejscu znajdziemy także informacje, w jaki sposób obliczyć można maksymalną rozpraszaną moc na układzie dla danych warunków pracy. Jak widzimy, układ będzie się istotnie nagrzewał w czasie prac. Tą kwestię poruszmy dokładniej w dalszej części artykułu.
Czytając kartę katalogową napotykamy na kolejne parametry elektryczne omawianego układu. W tym dokumencie każda ze stron poświęcana jest kolejnym układom z rodziny, jednakże inne karty katalogowe mogą być inaczej zorganizowane. Nie są to też kluczowe dla działania układu dane. W podstawowych rozważaniach istotnym parametrem, jaki musimy znaleźć w karcie katalogowej jest minimalne napięcie, jakie musimy podać na wejście układu, by otrzymać stabilne, pożądane napięcie na wyjściu. Różnica pomiędzy minimalnym napięciem wejściowym a napięciem stabilizowanym nazywana jest czasami minimalnym spadkiem napięcia na układzie. Definiuje to nam zakres napięć wejściowych, dla jakich układ poprawnie działa.
Opis minimalnego spadku napięcia może być niejasny, ale jeżeli przejdziemy dalej, do rysunku ósmego w omawianej karcie katalogowej, widzimy wykres, który ilustruje minimalny spadek napięcia na układzie - zaprezentowano napięcie wyjściowe w funkcji napięcia wejściowego dla różnych wartości prądu pobieranego z układu. Widzimy, że dopiero od około 7 V napięcie wyjściowe wynosi 5 V. Dla jasności oznaczono istotne miejsca charakterystyki czerwonymi okręgami.
Powyższy wykres pokazuje nam, że wraz z spadkiem napięcia wejściowego poniżej pewnej granicy spada napięcie wyjściowe. Dla około 7 V napięcie wyjściowe wynosi 5 V, a przy 3 V na wejściu a wyjściu widzimy zaledwie około 2 V. Dalszy spadek napięcia wejściowego powoduje szybki spadek napięcia wyjściowego do zera.
Obliczanie mocy
Teraz, gdy zaznajomiliśmy się już z kartą katalogową tego układu, powróćmy do rozważań związanych z prądem wyjściowym. Nie tak prosto jest uzyskać 1,5 A z tego układu. Dla uproszczenia załóżmy, że na wejściu układu mamy 12 V, a na wyjściu spodziewamy się 5 V przy 1,5 A. Wykorzystujemy w tym celu LM7805 w obudowie TO-220. Pierwszym pytaniem, jakie musimy zadać jest, ile mocy rozproszyć może układ.
Niestety karta kata katalogowa nie odpowiada wprost na to pytanie. Aby wyznaczyć wartość mocy, musimy wiedzieć, jak działa stabilizator liniowy. Nie jest to zbyt trudne - nadmiarowe napięcie odkłada się na elemencie, tak jak na oporniku. Taka uproszczona wersja działania tego układu wystarczy nam do zrozumienia dalszych obliczeń. Jako że cały prąd obciążenia przechodzi przez nas wirtualny opornik, to moc, jaka odkłada się na tym elemencie opisana może być prostym wzorem:
Bardziej zaawansowani czytelnicy mogą zwrócić uwagę, że powyższe równanie nie obejmuje mocy rozpraszanej na innych elementach w zasilaczu, jednakże są one tak małe, że możemy je pominąć nie popełniając wielkiego błędu w naszych obliczeniach, przynajmniej na tak podstawowym etapie.
Wykorzystując więc wartości z poprzedniego przykładu, obliczamy, ile mocy rozproszyć musi nasz układ:
To pierwsze może nam już wskazać, że mamy pewien problem projektowy - 10 W mocy to strasznie dużo ciepła jak na jeden element elektroniczny.
Ile zatem możemy rozproszyć na naszym elemencie? Wróćmy do karty katalogowej. W jednym jej miejscu widzimy równanie, które opisuje nam maksymalną rozpraszaną moc. Zależna ona jest od dwóch czynników - rezystancji cieplnej pomiędzy złączem (strukturą krzemową) a otoczeniem oraz temperatury tegoż otoczenia. Opisane jest to wzorem:
Jeśli założymy standardową temperaturę otoczenia, wynoszącą 25°C, to wykorzystując rezystancję cieplną dla typowego elementu w obudowie TO-220 otrzymujemy wartość:
Jeśli porównamy teraz wartość z naszych obliczeń z wyznaczoną granicą, to widzimy, że niemalże dwukrotnie ją przekraczamy, przynajmniej dla układu w obudowie TO-220 bez radiatora.
Co możemy teraz zrobić? Mamy dwie możliwości - zmniejszyć moc rozpraszaną na elemencie, najlepiej poprzez zmniejszenie napięcia wejściowego lub też zwiększyć zdolność do rozpraszania ciepła - zmniejszyć rezystancję cieplną pomiędzy strukturą krzemową a otoczeniem. Można to zrealizować np. dodając radiator do naszego układu.
Na tym etapie projektowanie prostego zasilacza staje się już naprawdę ciekawe. Więcej na temat tego dowiemy się w kolejnej części cyklu, natomiast teraz zapraszam do komentowania artykułu i ewentualnego zadawania pytań.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-linear-regulators
Stabilizatory liniowe produkowane są w różnych kształtach i rozmiarach. Jako że "obraz wart jest tysiąc słów", poniżej zaprezentowano dwa przykładowe stabilizatory na płytkach drukowanych jakichś urządzeń.
Dla osób, które nie wiedzą, czym są liniowe stabilizatory napięcia: są to elementy liniowe, które wykorzystują tranzystor, pracujący w swoim zakresie liniowym wraz z pętlą sprzężenia zwrotnego tak, aby na wyjściu elementu obecne było zawsze takie samo, stabilne napięcie - stąd ich nazwa. Tego rodzaju elementy scalone są dostępne na rynku od dziesiątek lat i są typowo stosowane w wielu systemach.
Zalety i wady
Stabilizatory liniowe są dosyć kompaktowe i proste do wykorzystania w urządzeniu. Dodatkowo, w odróżnieniu od stabilizatorów impulsowych, układy te nie wymagają do działanie zewnętrznych cewek itp. Płytki drukowane pod te elementy są proste, a stabilizowane napięcie pozbawione szumów czy tętnień. Co mogłoby być tutaj problemem?
Na pierwszy rzut oka wydaje się, że układy te są pozbawione poważniejszych wad. Niestety jest szereg istotnych kwestii, których powyższe najprostsze podejście nie obejmuje. Zasadniczą kwestią w przypadku wad tych układów jest niska sprawność tych układów.
Typowym stabilizatorem liniowym, jaki stosuje się w układach elektronicznych jest np. LM7805, stabilizujący napięcie 5 V. Obecnie jest coraz mniej popularny, z uwagi na fakt, że coraz więcej systemów zasilanych jest niższym napięciem. Wraz z tym stabilizatorem napięcia dodatniego, współwystępuje LM7905 - stabilizujący napięcie -5 V. Dodatkowo występują stabilizatory regulowane, takie jak LM317. Układy te dostępne są od wielu lat i oprócz dodania do listy dostępnych elementów układów w obudowie do montażu powierzchniowego (SMD) niewiele się one zmieniają.
Czytanie kart katalogowych
Można by się spodziewać, że skoro elementy te są dostępne na rynku od tak dawna, to w ich kartach katalogowych nie ma żadnych niejasności czy niedopowiedzeń. Niestety - nic bardziej mylnego. Jeśli nie wiemy czego dokładnie szukamy w tym dokumencie, to możemy nie otrzymać potrzebnych na informacji. Niestety - karty katalogowe tych elementów nie zmieniają się od od lat i cały czas pozostają w podobny sposób niejasne dla laików i początkujących elektroników.
Jako przykład weźmy stabilizator napięcia dodatniego LM340 produkcji Texas Instruments. Poniżej zamieszczono część pierwszej strony karty katalogowej tego elementu pobraną ze strony TI.
Po pierwsze, widzimy, że dokument ten opisuje nie tylko LM340, ale także całą rodzinę układów LM340A oraz LM7805A. Widzimy, że LM340A jest opisany osobno, jeśli chodzi o tolerancję napięcia oraz stabilizację napięcia. Jako że jest to lista głównych cech, a nie ścisły spis parametrów, możemy wywnioskować z tego opisu, że ten konkretny układ jest lepszy od pozostałych. W samej karcie katalogowej znajdujemy potwierdzenie tego - autorzy nazywają układ LM340A "wersją o wyższych parametrach".
Czytając dalej, widzimy, że nawet w tytule napisany jest prąd 1,5 A, ale już w liście podstawowych parametrów widzimy napis "do 1,5 A" (wytłuszczenie redakcji). Co to oznacza? Można by pomyśleć, że można by zastosować taki element w układzie i pobrać z jego wyjścia do 1,5 A bez wielkiego trudu. Niestety, elektronika nie jest tak trywialna, a słowo "do" ma tutaj inne znaczenie. Oczywiście, nie oznacza to, że nie można pobierać z takiego stabilizatora takiego prądu, koniecznie jednak trzeba wiedzieć, co ogranicza go w naszym systemie. Aby się tego dowiedzieć, musimy bliżej przyjrzeć się karcie katalogowej naszego stabilizatora.
Na dole pierwszej strony widzimy, że układ ten dostępny jest w wielu różnych obudowach. Ich wyprowadzenia opisane są na stronie trzeciej, a na stronie czwartej dokumentu znaleźć możemy maksymalne warunki pracy oraz rekomendowane warunki pracy układy, włącznie z informacjami na temat maksymalnej temperatury pracy układu i rezystancji cieplnej złącza (tj. struktura krzemowa wewnątrz elementu) - otoczenie. W tym miejscu znajdziemy także informacje, w jaki sposób obliczyć można maksymalną rozpraszaną moc na układzie dla danych warunków pracy. Jak widzimy, układ będzie się istotnie nagrzewał w czasie prac. Tą kwestię poruszmy dokładniej w dalszej części artykułu.
Czytając kartę katalogową napotykamy na kolejne parametry elektryczne omawianego układu. W tym dokumencie każda ze stron poświęcana jest kolejnym układom z rodziny, jednakże inne karty katalogowe mogą być inaczej zorganizowane. Nie są to też kluczowe dla działania układu dane. W podstawowych rozważaniach istotnym parametrem, jaki musimy znaleźć w karcie katalogowej jest minimalne napięcie, jakie musimy podać na wejście układu, by otrzymać stabilne, pożądane napięcie na wyjściu. Różnica pomiędzy minimalnym napięciem wejściowym a napięciem stabilizowanym nazywana jest czasami minimalnym spadkiem napięcia na układzie. Definiuje to nam zakres napięć wejściowych, dla jakich układ poprawnie działa.
Opis minimalnego spadku napięcia może być niejasny, ale jeżeli przejdziemy dalej, do rysunku ósmego w omawianej karcie katalogowej, widzimy wykres, który ilustruje minimalny spadek napięcia na układzie - zaprezentowano napięcie wyjściowe w funkcji napięcia wejściowego dla różnych wartości prądu pobieranego z układu. Widzimy, że dopiero od około 7 V napięcie wyjściowe wynosi 5 V. Dla jasności oznaczono istotne miejsca charakterystyki czerwonymi okręgami.
Powyższy wykres pokazuje nam, że wraz z spadkiem napięcia wejściowego poniżej pewnej granicy spada napięcie wyjściowe. Dla około 7 V napięcie wyjściowe wynosi 5 V, a przy 3 V na wejściu a wyjściu widzimy zaledwie około 2 V. Dalszy spadek napięcia wejściowego powoduje szybki spadek napięcia wyjściowego do zera.
Obliczanie mocy
Teraz, gdy zaznajomiliśmy się już z kartą katalogową tego układu, powróćmy do rozważań związanych z prądem wyjściowym. Nie tak prosto jest uzyskać 1,5 A z tego układu. Dla uproszczenia załóżmy, że na wejściu układu mamy 12 V, a na wyjściu spodziewamy się 5 V przy 1,5 A. Wykorzystujemy w tym celu LM7805 w obudowie TO-220. Pierwszym pytaniem, jakie musimy zadać jest, ile mocy rozproszyć może układ.
Niestety karta kata katalogowa nie odpowiada wprost na to pytanie. Aby wyznaczyć wartość mocy, musimy wiedzieć, jak działa stabilizator liniowy. Nie jest to zbyt trudne - nadmiarowe napięcie odkłada się na elemencie, tak jak na oporniku. Taka uproszczona wersja działania tego układu wystarczy nam do zrozumienia dalszych obliczeń. Jako że cały prąd obciążenia przechodzi przez nas wirtualny opornik, to moc, jaka odkłada się na tym elemencie opisana może być prostym wzorem:
$$P_D = (V_{IN} - V_{OUT}) \times I_{OUT}$$ (1)
Bardziej zaawansowani czytelnicy mogą zwrócić uwagę, że powyższe równanie nie obejmuje mocy rozpraszanej na innych elementach w zasilaczu, jednakże są one tak małe, że możemy je pominąć nie popełniając wielkiego błędu w naszych obliczeniach, przynajmniej na tak podstawowym etapie.
Wykorzystując więc wartości z poprzedniego przykładu, obliczamy, ile mocy rozproszyć musi nasz układ:
$$P_D = (12 - 5) \times 1,5 = 10,5 W$$ (2)
To pierwsze może nam już wskazać, że mamy pewien problem projektowy - 10 W mocy to strasznie dużo ciepła jak na jeden element elektroniczny.
Ile zatem możemy rozproszyć na naszym elemencie? Wróćmy do karty katalogowej. W jednym jej miejscu widzimy równanie, które opisuje nam maksymalną rozpraszaną moc. Zależna ona jest od dwóch czynników - rezystancji cieplnej pomiędzy złączem (strukturą krzemową) a otoczeniem oraz temperatury tegoż otoczenia. Opisane jest to wzorem:
$$P_{DMAX} = \frac {T_{JMAX} - T_A} {R_{JA}}$$ (3)
Jeśli założymy standardową temperaturę otoczenia, wynoszącą 25°C, to wykorzystując rezystancję cieplną dla typowego elementu w obudowie TO-220 otrzymujemy wartość:
$$P_{DMAX} = \frac {150 - 25} {23,9} = 5,23 W$$ (4)
Jeśli porównamy teraz wartość z naszych obliczeń z wyznaczoną granicą, to widzimy, że niemalże dwukrotnie ją przekraczamy, przynajmniej dla układu w obudowie TO-220 bez radiatora.
Co możemy teraz zrobić? Mamy dwie możliwości - zmniejszyć moc rozpraszaną na elemencie, najlepiej poprzez zmniejszenie napięcia wejściowego lub też zwiększyć zdolność do rozpraszania ciepła - zmniejszyć rezystancję cieplną pomiędzy strukturą krzemową a otoczeniem. Można to zrealizować np. dodając radiator do naszego układu.
Na tym etapie projektowanie prostego zasilacza staje się już naprawdę ciekawe. Więcej na temat tego dowiemy się w kolejnej części cyklu, natomiast teraz zapraszam do komentowania artykułu i ewentualnego zadawania pytań.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-linear-regulators
Fajne? Ranking DIY
