Obr.1

Tyto 3-svorkové regulátory vyrábí velmi mnoho výrobců. Ve většině případů mají téměř totožné parametry a většinou také totožné zapojení svorek (vstup, výstup, společná svorka). Přesto je nutné před použitím vždy zkontrolovat zapojení svorek a parametry s katalogovým listem konkrétního výrobce. Někteří výrobci totiž mají odlišné zapojení svorek. Nesprávné zapojení, například prohození vstupu a výstupu obvodu vede k okamžitému zničení součástky.

Následující obr. 2 ukazuje základní zapojení 3-svorkového regulátoru kladného napětí řady 78xx.

Obr.2

Ze vstupního napětí +15V regulátor dodává výstupní regulované napětí +12V s maximálním proudem 1A. Vstupní filtrační kondenzátor má větší kapacitu a slouží jako rezervoár energie pro kolísání odebíraného proudu. Výstupní kondenzátor je filtrační a má malou kapacitu.

Podívejme se nyní na katalogový list od Texas Instruments těchto 3-svorkových regulátorů. Hned v úvodu vidíme, že regulátory jsou použitelné pro maximální proud 1.5A. Katalogový list je společný pro více typů regulátorů: 7805, 7808, 7810, 7812, 7815 a 7824. Poslední dvě číslice udávají výstupní napětí. První dvě číslice (78) značí sérii, přičemž 78 označuje regulátory pro kladné napětí. Regulátory pro záporné napětí mají tyto číslice 79.

V odstavci 6, na straně 3 je zapojení vývodů jednotlivých pouzder. To je platné pro regulátory tohoto výrobce, tedy Texas Instruments. Použijeme-li regulátor stejného označení ale jiného výrobce, je nutno zkontrolovat, zapojení vývodů.

V odstavci 7.1 na straně 4 jsou uvedeny maximální hodnoty regulátorů. Vidíme, že maximální vstupní napětí pro regulátor 7824 je 40V, zatímco pro všechny ostatní regulátory je pouze 35V. V další tabulce, v odstavci 7.3 jsou doporučené pracovní podmínky. Je zde uvedeno minimální a maximální vstupní napětí pro jednotlivé typy regulátorů.

V tabulce 7.5 na straně 5 jsou elektrické charakteristiky regulátoru 7805. Z prvního řádku je vidět, že výstupní napětí je regulováno v rozsahu od 4.8 do 5.2V, střed je 5V. Druhý řádek ukazuje regulační odchylku při určitém rozsahu vstupního napětí. Při vstupním napětí 7 až 25V je regulační odchylka typicky 3mV, ale může být až 100mV. Regulační odchylka je však závislá také na odebíraném proudu. Tuto hodnotu ukazuje 4.řádek. Kolísá-li proud v rozsahu 5mA až 1.5A (v podstatě tedy v celém rozsahu), je regulační odchylka výstupního napětí typicky 15mV, maximálně ale 100mV. Zúžíme-li rozsah odebíraného proudu na 250 až 750mA, bude odchylka regulovaného výsupního napětí 5mV, maximálně 50mV.
Na 8.řádku tabulky (Dropout Voltage) vidíme hodnotu 2V. To je napětí, které zůstane na regulátoru. Je to minimální potřebný rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím regulátoru.

Můžeme nyní spočítat ztrátu na regulátoru. Za předpokladu vstupního napětí 15V a výstupního napětí 12V, při odběru 1.5A bude ztráta na regulátoru:

Tento výkon 4.5 Watt bude nutno z regulátoru odvést. Ještě horší situace nastane, když vstupní napětí bude vyšší. Například při vstupním napětí 24V a výstupním napětí 12V, při proudu 1.5A dostaneme ztrátu 18 Watt.

Účinnost regulátoru. Obecně účinnost je definována v procentech jako poměr výstupního výkonu vzhledem ke vstupnímu výkonu:

Vstupní výkon je 15V * 1.5A = 22.5 Watt
Výstupní výkon je 12V * 1.5A = 18 Watt
Účinnost regulátoru je tedy 18 / 22.5 * 100 = 80%. Při vstupním napětí 24V by účinnost regulátoru klesla na 50%. Chceme-li účinnější regulátor, musíme najít jiný typ s menším dropout napětím.

Nastavitelný 3-svorkový lineární regulátor napětí

V předchozí kapitole jsme se zabývali pevnými 3-svorkovými regulátory řady 78xx. Pochopitelně tyto lze též zapojit tak, aby bylo možné výstupní napětí regulovat v určitém rozsahu. Nevýhodou jsou však přídavné součástky a další ztráty. Snazší je však použít nastavitelný regulátor. Klasickým nastavitelným regulátorem je LM317. Následující obrázek ukazuje základní zapojení s LM317.

Obr.3

Regulátor LM317 má vstup pro regulační napětí, označený ADJ. Na tento vstup se přivádí napětí z odporového děliče tvořeného odporem R1 a potenciometrem VR1. Hodnoty R1 a VR1 v obr. 3 umožňují nastavit výstupní napětí v rozsahu od 1.2V do 12V. Výstupní proud je dán obvodem LM317 a je 1.5A. Také tento obvod je potřeba umístit na chladič. Při vstupním napětí 15V a výstupním napětí 1.2V a proudu 1.5A bude ztráta na regulátoru:

a účinnost takovéhoto zdroje bude pouhých 10%, Tedy 90% vstupní energie se promění na teplo. Účinnost poroste a ztráty budou klesat s rostoucím výstupním napětím anebo klesajícím výstupním proudem.

Podívejme se na katalogový list regulátoru LM317 firmy ON Semiconductor. V úvodu se dozvíme, že se jedná o regulátor s kladným nastavitelným výstupem, pro proudy až do 1.5A. Nastavitelné napětí je v rozsahu 1.2V až 37V. Na straně 1, pod obrázkem základního zapojení je vidět matematický vztah pro výpočet hodnot odporů R1 a R2, které řídí výstupní napětí. V rovnici uváděná hodnota 1.25V je vnitřní referenční napětí. Toto napětí určuje dolní mez výstupního napětí. Změnit toto referenční napětí nelze, ale vhodným zapojením dalších součástek lze dosáhnout regulace výstupního napětí již od 0.00 Volt. Ukážeme si později, jak se toho dá dosáhnout.

Na straně 2 nahoře je tabulka MAXIMUM RATINGS udávající maximální mezní hodnoty. Z ní vyčteme, že maximální vstupní napětí regulátoru je 40V.

V následující tabulce ELECTRICAL CHARACTERISTICS na téže straně najdeme, že výstupní proud je typicky 1.5A, ale max. 2.2A, za podmínky, že rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím je nejvýše 15V (řádek 11 - Maximum Output Current). Pokud bude rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím více než 15V, bude max. výstupní proud typicky 150 mA, nejvýše ale 400mA. Regulátor LM317 má totiž v sobě ochranu proti tepelnému přetížení a omezí výstupní proud s rostoucí teplotou vlivem ztrát.

Na straně 5 je graf označený Figure 10. Tento graf popisuje závislost dropout napětí regulátoru v závislosti na teplotě elektronického čipu uvnitř pouzdra a při různých výstupních proudech. Předpokládejme, že budeme z regulátoru odebírat proud 20mA (nejnižší křivka v grafu). Regulátor se tedy příliš neohřeje. Při teplotě 25°C bude dropout napětí asi 1.6V. Zvýšíme-li odběr proudu na 1.5A a teplota regulátoru vzroste na 75°C bude dropout napětí 2.2V (nejvyšší křivka v grafu). Budeme-li špatně chladit, teplota regulátoru dále poroste a při dosažení 150°C bude dropout napětí již 2.5V.

Následující graf - Figure 11 - ukazuje jak se bude měnit vnitřní referenční napětí regulátoru v závislosti na jeho teplotě. S rostoucí teplotou bude referenční napětí klesat.

Graf označený Figure 12 udává, jaký musíme odebírat minimální proud, aby regulátor fungoval. Při napěťovém rozdílu 20V mezi vstupem a výstupem, musí být odběr alespoň 2mA.

Existuje celá řada podobných obvodů jako je LM317, některé umožňují vyšší vstupní napětí, jiné vyší proudové zatížení (LM138/LM338). Všechny mají však společné výhody:

• snadné a jednoduché zapojení
• málo vnějších součástek
• nízké náklady
• malé rušení na výstupu

• nízká účinnost, pokud je větší rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím
• tepelné ztráty rostou s proudem a rozdílem mezi vstupním a výstupním napětím
• nutné chlazení pomocí chladiče
• použitelné pouze pro snižování napětí