Stabilizator napięcia LM2575 w praktyce amatorskiej

W artykule przypomniane są podstawowe informacje na temat zasilaczy i stabilizatorów, w tym zalety i wady. Omówiona jest budowa i zasada działania obniżających impulsowych stabilizatorów napięcia LM2575. Podane są przykłady praktycznego wykorzystania tych niemłodych, ale nadal popularnych kostek.

Patrząc humorystycznie na całą elektronikę, tę profesjonalną oraz hobbystyczną, należy zauważyć, że bez prądu nic nie działa. Każde urządzenie wymaga zasilania w energię, która jest doprowadzana do wszystkich elementów wchodzącego w skład całości. Źródła zasilania mogą być różnego rodzaju. Sam pamiętam z dzieciństwa, gdy zaczynałem pasjonować się elektroniką, to pierwszym rodzajem zasilania były baterie, popularnie zwane bateriami płaskimi. To były trzy ogniwa połączone szeregowo dające w sunie około 4,5 V. Ta forma ma jednak bardzo poważną wadę: bateria potrafi się rozładować i nie nadaje się do niczego. Kolejnym rozwiązaniem, przez które przechodzi każdy, jest zastosowanie zasilacza. To takie proste urządzenie podłączane do sieci energetycznej bazujące na transformatorze, prostowniku i kondensatorze wygładzającym napięcie wyjściowe. Tak jak większość rozwiązań ma ono wady i zalety. Podstawową zaletą jest fakt, że to rozwiązanie jest niewyczerpywalne, nie da się tego rozładować, jak baterii. Wadą natomiast jest to, że napięcie na wyjściu jest niestabilizowane i jest jakie jest – zależy przede wszystkim od zastosowanego transformatora. Potrzeba zmiany napięcia oznacza wymianę transformatora na inny. Pomysłowość ludzka jednak jest dosyć kreatywna: wymyślono transformator z wieloma odczepami, gdzie za pomocą odpowiednich przełączników można było wybrać odpowiednie napięcie wytwarzane przez transformator. Jednak nadal pozostawała kwestia stabilizowania napięcia wyjściowego.
I tu przemysł wytwarzający podzespoły elektroniczne zaproponował wiele rozwiązań. Zostały opracowane układy pozwalające na stabilizację oraz regulację napięcia wyjściowego. Pierwszym takim układem scalonym, który zyskał ogromną popularność był μA723. Jednak każde rozwiązanie bazujące na tym układzie wymaga stosowania dodatkowych elementów.

Pewnego rodzaju standaryzacja doprowadziła do konieczności uzyskania określonych napięć dla danej klasy urządzeń. Tak jak wszystkie układy cyfrowe oraz logiczne wymagały napięcia zasilającego 5 V (dzisiaj układy cyfrowe wymagają zasilania o mniejszej wartości napięcia), układy analogowe bazujące na wzmacniaczach operacyjnych potrzebowały napięć zasilających z zakresu 12…15 V. To zapewne dało impuls do opracowania układów o trzech wyprowadzeniach na ściśle określone napięcie wyjściowe (wejście napięcia niestabilizowanego, wyjście napięcia stabilizowanego oraz wspólna końcówka odniesienia, popularnie nazywana masą). Takim wręcz kultowym przedstawicielem jest μA7805 czy μA7812 – stabilizatory wytwarzające ściśle określone napięcie wyjściowe bez możliwości ich zmiany. To rozwiązanie było proste w użytkowaniu i nie wymagało żadnych dodatkowych elementów. Mogło by wydawać się, że została osiągnięta pełnia szczęścia, gdyż układ realizuje to do czego został stworzony, a aplikacja układu jest prosta. Jednak objawił się tu „zły duch rozwiązania” jakim jest sprawność układu. Pokazuje to następujący przykład. Załóżmy, że napięcie niestabilizowane wynosi 12 V a wymagane wyjściowe wynosi 5 V z prądem obciążenia 100 mA. Pierwsze skojarzenie jest właściwe: zastosować układ μA7805. Jednak po bliższym przyjrzeniu się problematyce wychodzą wady rozwiązania. Układ działa w ten sposób, że steruje pracą głównego tranzystora stabilizującego napięcie (znajdującego się w strukturze układu scalonego) aby uzyskać ściśle określone napięcie na wyjściu. Powstaje problem, który sprowadza się do „utylizacji” nadmiaru napięcia. W tym przypadku, ów główny tranzystor „bierze na siebie” naddatek napięcia. Podsumowując: zasilane urządzenie potrzebuje mocy 0,5 W (100 mA razy 5 V) zaś spadek napięcia na stabilizatorze wynosi 12 V–5 V=7 V, co przy wymaganym prądzie obciążenia daje 0,7 W energii, która wytrąci się w postaci ciepła. Ta prosta kalkulacja oznacza, że „większość pary poszła w gwizdek”, sprawność układu jest poniżej 50% (choć w rzeczywistości jest jeszcze gorzej, gdyż powyższa kalkulacja nie uwzględnia wszystkich elementów wpływających ma straty energii).

Rzeczywistość nie lubi próżni, więc wszystkie dostrzeżone wady są korygowane. Tak jest również w kwestii komponentów pozwalających budować stabilizatory napięć działające na zasadzie impulsowej. Działają one na znacząco innej zasadzie i wymagają określonych dodatkowych detali. Każdy stabilizator impulsowy integruje w swojej konstrukcji generator o dosyć dużej częstotliwości, rzędu kilkudziesięciu a nawet kilkuset kiloherców. Na bazie tych impulsów główny tranzystor stabilizujący albo w pełni przepuszcza przez siebie prąd obciążenia (przy napięciu, które odkłada się w stanie nasycenia tranzystora wynoszącym kilka do kilkadziesiąt miliwoltów w zależności od zastosowanego tranzystora daje niewielką moc strat wydzielaną w postaci ciepła) albo w pełni blokuje prąd obciążenia (dowolne napięcie przy zerowym prądzie obciążenia również nie wydziela się jako moc strat w układzie). Skoro naddatek napięcia nie odkłada się na stabilizatorze napięcia, powstaje pytanie: gdzie stracona jest owa różnica napięć? Znajomość własności poszczególnych elementów, z których budowane są urządzenia, pozwala na odpowiedź na to pytanie. Zjawiskiem, które w tym uczestniczy jest samoindukcja. Jeżeli przez element będący cewką zostanie przepuszczony impulsowy prąd, to na cewce wygeneruje się napięcie przeciwnie skierowane, proporcjonalne do „gwałtowności” zmian wartości prądu. Z podstaw elektrotechniki wiadomo, że napięcia są wielkościami fizycznymi o określonym kierunku i dodają się, jeżeli są skierowane zgodnie oraz odejmują, jeżeli są skierowane przeciwnie. Stąd koniecznym elementem wchodzącym w budowę impulsowych stabilizatorów napięcia są elementy o charakterze indukcyjnym. Elektronika zawarta w układzie scalonym takiego stabilizatora zmieniając częstotliwość oraz wypełnienie generowanych impulsów tak „kombinuje”, by na wyjściu uzyskać stan oczekiwany. Oczywiście w takim układzie musi zaistnieć sprzężenie zwrotne, aby poszczególne elementy wchodzące w skład stabilizatora mogły ze sobą współdziałać oraz reagować na zachodzące zmiany. Tak w wielkim uproszczeniu działają impulsowe stabilizatory napięcia.

Układ LM2575

Jednym z przedstawicieli tego rodzaju układów jest tytułowy układ LM2575. Jest on produkowany w kilku wariantach określonego napięcia wyjściowego (najbardziej „popularne” napięcia w typowych zastosowaniach: 3,3 V, 5 V, 12 V i 15 V, za symbolem układu podana jest wartość napięcia wyjściowego) oraz w wersji z możliwością ustalenia napięcia wyjściowego na dowolną inną wartość (za symbolem układu występuje oznaczenie ADJ). W wersji ADJ w rzeczywistości istnieją granice, których nie da się przekroczyć: minimalne napięcie wyjściowe wynosi 1,23 V, a maksymalne napięcie wyjściowe wynosi około 3 V mniej w stosunku do napięcia wejściowego, co przy maksymalnym tolerowanym przez stabilizator napięciu wejściowym 40 V pozwala uzyskać napięcie w zakresie 1,23…37 V. Układ LM2575 jest produkowany w obudowie o pięciu wyprowadzeniach w wersji przewidzianej do montażu powierzchniowego (obudowa typu TO263 popularnie zwana D2PAK) oraz przewlekanego (obudowa typu CASE314B i CASE314D popularnie zwane TO220 różniące się jedynie sposobem wygięcia pinów układu) jak pokazuje rysunek 1.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w marcowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 3/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 3/2025 znajduje się tutaj.

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 3/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.