Pomocou malého množstva ďalších komponentov pridaných k výstupu napájacieho zdroja môžeme vyrobiť pomerne jednoduchý a stabilný napájací zdroj s pevným napätím, ktoré je schopné dosahovať na svojom výstupe pevné alebo premenlivé napätie a to buď kladné alebo záporné. V skutočnosti je to jednoduchšie, ako si možno myslíte, pretože transformátor, usmernenie a vyhladenie už vykonal napájací zdroj. Všetko, čo musíme urobiť, je pripojiť iba obvod lineárneho stabilizátora .

Medzi najčastejšie používané lineárne stabilizátory s pevným napätím na výstupe sa používa rada troj pinových stabilizátorov radu 78xx pre kladné napätia a rada 79xx pre záporné napätia. Naproti tomu sa rovnako často používajú aj regulovateľné lineárne zddroje LM317 pre kladné a LM337 pre záporné napätia. LM317 je regulovateľný 3 pinový regulátor kladného napätia, ktorý je schopný dodávať rôzne výstupné napätia s použitím iba pár komponentov a výstupný prúd do záťaže až 1.5A. Rovnako aj rada 78xx je schopná dodať pevné napájacie napätie v širokom rozsahu od +5 až +24 voltov s prúdom okolo 1.5 A.

Pevné napätia s obvodom 78xx

V štandardnom púzdre TO-220 je k dispozícii široká škála 3 pinových  regulátorov napätia, pričom najpopulárnejším regulátorom pevného napätia sú kladné regulátory série 78xx, ktoré sa vyrábajú v širokej rade výstupných napätí od  + 5V až po + 24V. Existuje však tiež séria pevných regulátorov záporného napätia označených ako 79xx, ktoré vytvárajú komplementárne záporné napätie od -5 do -24 voltov, ale v tomto článku si preberieme iba pozitívne typy 78xx.

Pevný 3 pinový regulátor je vhodný v aplikáciách, kde nie je potrebný nastaviteľný výstup, čo zjednodušuje výstupné napájanie, ale je veľmi flexibilné, pretože výstupné napätie závisí iba od zvoleného regulátora. Nazývajú sa 3 pinové regulátory napätia, pretože na pripojenie majú iba tri piny, a to sú vstup IN, GND a výstup OUT.

Vstupné napätie pre regulátor na obrázku nižšie bude +12 V z usmerneného napájacieho zdroja a je pripojené medzi vstup U_IN a GND, Filtráciu napätia na vstupnej strane zabezpečuje keramický kondenzátor C1. Stabilizované napätie +9 voltov je vyvedené na výstup OUT a je vyfiltrované dvojicou kondenzátorov C2 a C3.

Obvod regulátora napätia

Prehľad stabilizátorov pevného napätia

Predpokladajme teda, že chceme, aby na výstupe nášho zapojenia  bolo +9 voltov. Potom musíme iba pripojiť regulátor napätia +9 V ku kladnému pólu +12V a zápornému pólu GND. Pokiaľ máme toto napätie už usmernené a vyhladené, tak na výstupe máme +12 V. Ďalej sú potrebné už iba ďalšie komponenty, a to kondenzátor na vstupe a ďalší na jeho výstupe.

Tieto ďalšie kondenzátory napomáhajú stabilite regulátora a môžu byť v rozsahu medzi 100 nF a 330 nF. Dodatočný výstupný kondenzátor 100uF pomáha vyhladiť inherentný obsah zvlnenia a dáva mu dobrú prechodnú odozvu. Tento kondenzátor vysokej hodnoty umiestnený na výstupe napájacieho obvodu sa bežne nazýva aj ako "vyhladzovací kondenzátor".

Regulátory série 78xx poskytujú maximálny výstupný prúd okolo 1,5 ampéra pri bežných stabilizovaných napätiach 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 a 24 V. Ale čo keby sme chceli výstupné napätie + 9V, ale mali by sme po ruke iba stabilizátor 7805 s výstupným napätím + 5V ?.

Keby sme zvýšili toto koncové napätie pin 2 z 0V na 4V, potom by sa napätie výstupu zvýšilo o ďalšie 4 volty, ak by bolo dostatočne vysoké napätie na vstupe. Potom pripojením zenerovej diódy 4.3 V (najbližšia preferovaná hodnota 4,3 V) medzi pin-2 a zem stabilizátora spôsobí to, že 7805 5V bude dodávať výstupné napätie +9 voltov tak, ako je znázornené nižšie.

Ako to teda funguje? Zenerova dióda s napätím 4,3 V vyžaduje reverzný predpätý prúd okolo 5 mA, aby sa udržal výstup s tým, že regulátor bude trvať približne 0,5 mA. Tento celkový prúd 5,5 mA je dodávaný cez odpor R1 z výstupného pinu 3.

Takže hodnota odporu požadovaného pre regulátor 7805 bude R = 5V / 5,5mA = 910 Ohm. Spätnoväzbová dióda D1 pripojená cez vstup na výstupné svorky slúži na ochranu a zabraňuje reverznému predpätiu regulátora, keď je vstupné napájacie napätie vypnuté, zatiaľ čo výstupné napájanie zostáva zapnuté alebo aktívne na krátky čas z dôvodu veľkej indukčnosti solenoid alebo motor.

Potom môžeme pomocou 3 pinových regulátorov napätia a vhodnej Zenerovej diódy vyrobiť rôzne pevné výstupné napätia z nášho predchádzajúceho napájacieho zdroja v rozsahu od + 5 V do + 12V. Tento návrh však môžeme vylepšiť nahradením regulátora pevného napätia regulátorom premenlivého napätia, ktorým je LM317T.

Napájanie s premenlivým napätím

LM317T je plne nastaviteľný 3 pinový regulátor kladného napätia, ktorý je schopný dodávať do záťaže až 1,5 ampéra s výstupným napätím v rozmedzí od približne 1,25 voltu do niečo vyše 30 voltov. Použitím pomeru dvoch odporov, jedného s pevnou hodnotou a druhého s premenlivou hodnotou (alebo oboch pevných), môžeme nastaviť výstupné napätie na požadovanú úroveň so zodpovedajúcim vstupným napätím kdekoľvek medzi 3 a 40 voltami.

Regulátor premenlivého napätia LM317T má tiež zabudované možnosti obmedzenia prúdu a tepelnej ochrany vypnutia výstupu, vďaka čomu je odolný voči skratu a je tak ideálny pre akékoľvek nízkonapäťové alebo jednoduché domáce napájacie zdroje.

Výstupné napätie LM317T je určené pomerom dvojice spätnoväzbových rezistorov R1 a R2, ktoré tvoria potenciálový delič tak, ako je znázornené na obrázku nižšie.

Regulátor premenlivého napätia LM317T

Napätie na spätnoväzbovom rezistore R1 je konštantné referenčné napätie 1,25 V, ktoré sa vytvára U_ref medzi svorkou O_ut a Adj. Prúd na Adj je konštantný 100µA. Pretože referenčné napätie na rezistore R1 je konštantné, bude cez druhý rezistor R2 prechádzať konštantný prúd I, čo povedie k výstupnému napätiu:

Potom akýkoľvek prúd, ktorý preteká odporom R1, preteká aj odporom R2 (ignorujúc veľmi malý nastavovací koncový prúd), pričom súčet poklesov napätia na R1 a R2 sa rovná výstupnému napätiu V_out. Je zrejmé, že vstupné napätie V_in musí byť na napájanie regulátora najmenej o 2,5 voltu väčšie ako požadované výstupné napätie.

LM317T má tiež veľmi dobrú reguláciu záťaže za predpokladu, že minimálny prúd záťaže je väčší ako 10 mA. Aby sa udržalo konštantné referenčné napätie 1,25 V, maximálna hodnota spätnoväzbového odporu R1 musí byť 1,25 V / 10 mA = 120 Ohm a táto hodnota sa môže pohybovať kdekoľvek od 120 ohmov do 1 000 ohmov, pričom typické hodnoty R1 sú asi 220 Ω až 240 Ω. pre dobrú stabilitu.

Ak poznáme hodnotu požadovaného výstupného napätia, V_out a spätnoväzbový odpor R1, povedzme 240 ohmov, potom môžeme z vyššie uvedenej rovnice vypočítať hodnotu odporu R2. Napríklad naše pôvodné výstupné napätie 9 V by poskytlo hodnotu odporu pre R2:

R1. ((U_out / 1,25) -1) = 240. ((9 / 1,25) -1) = 1 488 Ω

alebo 1 500 ohmov (1,5kΩ) na najbližšiu preferovanú hodnotu.

Samozrejme v praxi by sa rezistory R1 a R2 normálne nahradili potenciometrom, aby sa vytvoril napájací zdroj s premenlivým napätím, alebo niekoľkými spínanými prednastavenými odpormi, ak je potrebných niekoľko pevných výstupných napätí.

Ale aby sme zjednodušili matematiku potrebnú pri výpočte hodnoty odporu R2 zakaždým, keď chceme konkrétne napätie, môžeme použiť štandardnú tabuľku odporou, ako je uvedené nižšie, ktorá nám dá výstupné napätie regulátora pre rôzne pomery odporov R1 a R2 pomocou hodnôt odporovej rady E24 .

Pomer rezistorov R1 až R2

Výmenou rezistora R2 za 2k ohmový potenciometer môžeme riadiť rozsah výstupného napätia nášho zdroja od približne 1,25 voltu do maximálneho výstupného napätia 10,75 (12 - 1,25) voltu. Ďalej je uvedený konečný upravený obvod s premenlivým napájaním.

Obvod napájacieho napätia s premenlivým napätím

Náš základný obvod regulátora napätia môžeme ešte trochu vylepšiť pripojením ampérmetra a voltmetra k výstupným svorkám. Tieto prístroje poskytujú vizuálnu indikáciu prúdového aj napäťového výstupu z nastaviteľného regulátora napätia. Je vhodné do konštrukcie zabudovať aj rýchločinnú poistku, ktorá poskytuje ďalšiu ochranu proti skratu tak, ako je to znázornené na obrázku nižšie.

Nevýhody obvodu stabilizátora LM317T

Jednou z hlavných nevýhod použitia LM317T ako komponentov napájacieho obvodu s premenlivým napätím je to, že až 2,5 voltu sa premení ako teplo, ktoré je vyžiarené ako strata. Napríklad, ak má byť požadované výstupné napätie +9 voltov, potom bude musieť byť vstupné napätie až 12 voltov alebo viac, ak má výstupné napätie zostať stabilné pri podmienkach maximálneho zaťaženia. Aj kvôli tejto strate napätia je potrebné použiť primeraný chladič, aby sa regulátor udržal chladný.

Našťastie sú k dispozícii regulátory s premenlivým napätím s nízkymi stratami, ako je napr. regulátor s premenlivým napätím od National Semiconductor LM2941T s nízkou stratou napätia iba 0,9 voltu pri maximálnom zaťažení. Táto nízka strata je však menej výhodná, pretože tento stabilizátor je schopný dodávať iba 1,0 ampér s premenlivým výstupom napätia od 5 do 20 voltov.

Ak to teda zhrnieme, náš stolný napájací zdroj, ktorý sme vytvorili, je možné upraviť na napájací zdroj s premenlivým napätím pomocou LM317T s výstupným prúdom až 1,5A s tepelnou ochranou výstupu.