Spínané stabilizátory napětí řady AMSR a AMSRI firmy AIMTEC

Před několika desetiletími si lineární stabilizátory řady 78xx/79xx upevnily svou pozici na trhu do té míry, že dnes každý, kdo se jen trochu zabývá elektronikou, buď ze strany konstrukce, nebo obchodu, zná tento nenápadný třívývodový integrovaný obvod. Firma Aimtec však může nabídnout velmi dobrou alternativu k této přece jenom již dost staré konstrukci. Jsou to spínané stabilizátory napětí řady AMSR a AMSRI, které jsou pinově shodné s již uvedenými lineárními stabilizátory, a navíc nabízejí řadu dodatečných předností.

Aimtec je vedoucím producentem měničů DC/DC a AC/DC, průmyslových napájecích zdrojů a budičů LED. Firma aktivně angažuje kvalifikované inženýry ve výzkumu a vývoji nabídky výrobků, díky čemu jsou známé po celém světě svou výjimečnou účinností a spolehlivostí. Aby vyhověl očekáváním trhu, objevily se v portfoliu Aimtecu spínané stabilizátory napětí řady AMSR a AMSRI, které jsou moderními náhradami lineárních stabilizátorů 78xx/79xx, vzpomínaných v úvodu.

Lineární stabilizátory, jako jsou 78xx/79xx, můžeme najít v nesčetném počtu zařízení v mnoha různých verzích. Obvykle se liší provedením pouzdra, velikostí stabilizovaného napětí a dalšími parametry, které je kvalifikují pro různé aplikace. Jednou z jejich nejdůležitějších předností je skutečnost, že nevyžadují žádné další doplňující součástky. Pro správnou funkci stabilizátorů 78xx a 79xx stačí totiž přidat po 2 kondenzátorech na vstup a výstup a diodu připojenou antiparalelně pro zajištění ochrany stabilizátoru před opačnou polaritou v případě zkratu na vstupu. Příkladová aplikace, kterou můžeme rovněž najít v poznámce každého z výrobců, je uvedena na obr. 1.

Lineární stabilizátory mají kromě mnoha předností bohužel závažný nedostatek. Prvkem, který reguluje výstupní napětí, je sériově zapojený tranzistor. On však nepracuje, tak jako v případě měniče, jako klíčovací prvek, ale pouze jako sériový aktivní rezistor. Regulační obvod ovládá stav otevření tohoto tranzistoru tak, aby, nezávisle na proudu, na výstupu bylo po celou dobu stejné ustálené napětí. Proto je na něm napětí rovné rozdílu vstupního a výstupního potenciálu. Navíc, jelikož tranzistor vestavěný do stabilizátoru pracuje jako aktivní rezistor, je vstupní proud stabilizátoru roven výstupnímu proudu. Součin tohoto proudu a úbytku napětí na tranzistoru způsobuje na něm vznik výkonové ztráty. Například, přivedeme-li na vstup lineárního stabilizátoru (např. 7805) minimální přípustné napětí, tj. 7,5 V, a z jeho výstupu odebíráme 500 mA, pak výkonová ztráta, jak lze snadno spočítat, bude 1,25 W. Výstupní výkon je roven 2,5 W, dostáváme tedy účinnost řádu 66 %. Situace se však začne drasticky zhoršovat, když zvětšíme zatížení nebo vstupní napětí.

Současné trendy vývoje elektronických zařízení si vynucují snahu o co největší účinnost a spolu s tím také energetickou úspornost. Konstruktéři zařízení začali doceňovat možnosti současných spínaných stabilizátorů. Přednosti, jako je vysoká účinnost, poměrně nevelká cena, energetická úspornost atd., způsobily, že se ve většině moderních zařízení můžeme setkat se spínanými měniči. Často se však stává, že návrh obvodu napájení se spínaným měničem je komplikovanější než v případě aplikace, ve které je použit lineární stabilizátor. Výrobci integrovaných obvodů samozřejmě uvádějí ve svých aplikačních listech mnoho informací a podporují konstruktéry, avšak je třeba vědět, jak správně navrhnout plošný spoj kolem měniče, jak mají vypadat vstupní obvody, aby nenastaly potíže s EMC, je třeba vybrat vhodnou cívku nebo transformátor atd. Vždy existuje jisté riziko nutnosti opakování prototypu, a v důsledku toho dodatečných nákladů.

Aimtec se rozhodl vyjít vstříc očekáváním trhu. Díky zkušenostem a znalostem inženýrů z firmy Aimtec máme k dispozici moderní neizolované měniče DC/DC řady AMSR a AMSRI. Řada AMSR jsou regulátory kladného napětí. Typová řada dostupných napětí je identická s tou, kterou nabízejí lineární stabilizátory typu 78xx. V řadě AMSRI můžeme nalézt rovněž stabilizátory záporného napětí vůči zemi zapojení, které nepotřebují záporné napětí na svém vstupu, jelikož se jedná o invertující měniče. Díky tomu jsou schopny vytvořit z napětí kladného napětí záporné.

Uvnitř tohoto na první pohled nenápadného obvodu se nachází kontrolér, který řídí práci měniče, klíčovací tranzistor, cívka, která slouží k akumulaci energie během činnosti měniče a která spolu s vestavěným kondenzátorem tvoří jakýsi dolnopropustní filtr pro průběh PWM, a také zpětná dioda. V nevelkém pouzdru je však uzavřeno všechno, co je nezbytné pro správnou funkci měniče. Obvod má 3 vývody, jejichž rozteč a uspořádání jsou shodné s lineárními stabilizátory, což jej činí skvělou náhradou těchto obvodů bez prakticky žádných změn na plošném spoji.

Další předností obvodů z řady AMSR a AMSRI je to, že jejich použití v zapojení je nezvykle prosté, podobně jako v případě lineárních stabilizátorů. Typické schéma s použitím takového měniče je uvedeno na obr. 2.

Stačí 2 kondenzátory, aby obvod pracoval bezchybně, a navíc ušetříme místo na plošném spoji a náklady. Rozměry pouzdra SIP3, ve kterém jsou obvody, jsou pouhých 11,6 × 7,5 × 10,2 mm.

Charakteristickým jevem u měničů DC/DC vycházejícím z jejich konstrukce je to, že průměrný vstupní proud se liší od výstupního proudu. Na to má vliv mnoho faktorů, např. rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím, topologie měniče, účinnost, jakost použitých součástek, obvodové řešení atd. U lineárních stabilizátorů, jak již bylo uvedeno dříve, je vstupní proud stabilizátoru roven proudu odebíranému ze stabilizátoru. Aniž bychom se příliš pouštěli do detailů konstrukce, je třeba si všimnout důležitého rozdílu. Měniče mají o hodně větší účinnost než lineární stabilizátory. Již dříve vzpomínaný obvod AMSR7805-NZ má účinnost řádu 94 % pro vstupní napětí 6,5 V a 84 % pro maximální vstupní napětí rovné 32 V. Maximální výstupní proud měniče je 500 mA. Lineární stabilizátory mohou dodávat větší proudy, v závislosti na typu, a jejich hodnoty jsou v řádu od 1 A do až 1,5 A. Je však třeba zmínit, že při takových proudech je výkon, který se ztrácí na stabilizátoru, větší, a v důsledku toho je nutný pořádný chladič. V případě popisovaných měničů, kromě verze s maximálním výstupním proudem 500 mA, existují také obvody pro vyšší proudy, jako je 1 A, 1,5 A, a dokonce 2 A (řada AMSR1, AMSR1.5 a AMSR2).

Stabilizátory AMSR/AMSRI nepotřebují žádné chladiče v celém rozsahu jak vstupního napětí, tak i výstupního proudu. Předpokládejme, že je vstupní napětí u obou obvodů kolem 32 V. Proud odebíraný z obvodů je 500 mA. Ztrátový výkon na stabilizátoru 7805 je v tomto případě 13,5 W. To dává účinnost kolem 15 %. Ve shodné konfiguraci zapojení má stabilizátor AMSR-7805-NZ účinnost 86 %, což dává výkonovou ztrátu kolem 0,41 W. To ukazuje, že ani za takovýchto podmínek nepotřebuje měnič z řady AMSR žádný chladič, na rozdíl od lineárního stabilizátoru. Kromě všech výše uvedených vlastností má řada stabilizátorů AMSR/ AMSRI rovněž vestavěnou ochranu proti zkratu a také tepelnou ochranu. Tyto měniče jsou také nízkošumové a umožňují dosáhnout nízkou úroveň zvlnění výstupního napětí.

Obvody AMSR a AMSRI jsou velmi univerzální obvody. Jejich výše popsané vlastnosti je kvalifikují jako zdroj napájení pro mnoho různých aplikací. Vyznačují se vysokou účinností a také kompatibilitou vývodů s populárními lineárními stabilizátory. Díky tomu jsou pro ně skvělou náhradou.

Více informací lze nalézt na stránce autorizovaného distributora výrobků Aimtec – společnosti Transfer Multisort Elektronik www.tme.eu.