Стабилизатор питания

Микроконтроллеру нужно ровно 3,3 В, а с разъёма приходит то 4,8 В от USB, то 12 В от адаптера, то 4,2…3,0 В от разряжающегося аккумулятора. Стабилизатор напряжения (voltage regulator) превращает «грязное» и плавающее напряжение в стабильное. Это источник напряжения из урока 1.6, приближённый к идеальному: маленькое внутреннее сопротивление при любом токе в пределах нормы.

Аналогия — редуктор давления в водопроводе. В магистрали давление скачет, а после редуктора в квартире оно ровное. Лишнее давление редуктор «съедает».

Стабилитрон: самый простой стабилизатор

Стабилитрон (Zener diode) — диод, который в обратном включении держит почти постоянное напряжение пробоя Uст при широком диапазоне токов: 3,3 В, 5,1 В, 12 В и т. д. Его динамическое сопротивление маленькое (урок 1.6).

Схема — балластный резистор и стабилитрон (левая часть рисунка). Лишнее напряжение падает на резисторе, а ток распределяется между стабилитроном и нагрузкой.

Рис. 3.4. Слева: стабилитрон держит на выходе своё напряжение, а лишнее падает на балластном резисторе. Годится для малых токов и опорных напряжений. Справа: линейный стабилизатор (LDO) с конденсаторами на входе и выходе. Всё, что не дошло до нагрузки, он превращает в тепло: P = (Uвх − Uвых)·I.

Расчёт. Вход 9 В, стабилитрон 5,1 В, нагрузка до 10 мА. Через стабилитрон должен течь хотя бы минимальный ток стабилизации, возьмём 5 мА (точное значение — в даташите).

1. R = (Uвх − Uст) / (Iн + Iст) = (9 − 5,1) / 15 мА ≈ 260 Ом → 270 Ом, общий ток ≈ 14,4 мА.
2. Мощность резистора: 3,9² / 270 ≈ 56 мВт.
3. Худший случай для стабилитрона — нагрузку отключили, и весь ток пошёл через него: 5,1 В · 14,4 мА ≈ 74 мВт. Сверь с номинальной мощностью корпуса.

КПД такой схемы низкий: из 130 мВт на входе до нагрузки доходит 51 мВт. Поэтому стабилитрон используют для опорных напряжений и маломощных цепей, а не для питания платы.

Трёхвыводные стабилизаторы

Для питания платы берут готовую микросхему с тремя выводами: вход, выход, земля (Хоровиц, §6.16).

• Серия 78xx — фиксированное напряжение, последние цифры — вольты: 7805 даёт 5 В, 7812 — 12 В.
• LM317 — регулируемый: выходное напряжение задаёт делитель. Uвых = 1,25 В · (1 + R2/R1), где 1,25 В — встроенное опорное напряжение между выходом и выводом ADJ. Типовое значение R1 — 240 Ом.

Обязательная обвязка — конденсаторы на входе и выходе. Их значения и тип берут из даташита конкретной микросхемы: для классических 78xx в типовой схеме стоят керамические 0,33 мкФ на входе и 0,1 мкФ на выходе, у других стабилизаторов требования свои.

📖Из учебникагл. 6, §6.16–6.18, с. 360–368

Хоровиц советует для большинства неответственных применений просто брать трёхвыводной стабилизатор (§6.16, рис. 6.28) и показывает регулируемый LM317 (рис. 6.29). В §6.18 объясняется, откуда у 78xx требование «добавки» около 2 В между входом и выходом: внутри стоит составной npn-транзистор и цепь защиты, и на каждом переходе теряется около 0,6 В. Стабилизаторы с малым перепадом используют проходной pnp- или МОП-транзистор (рис. 6.32, б).

Падение напряжения и LDO

Линейный стабилизатор может только понижать напряжение, и ему нужен запас: падение напряжения (dropout) — минимальная разница Uвх − Uвых, при которой он ещё стабилизирует.

• у 7805 — около 2 В, то есть для 5 В нужно хотя бы 7 В на входе;
• у LDO (Low DropOut) — от сотен милливольт до примерно вольта. Цифры у разных микросхем сильно отличаются: популярный AMS1117 по даташиту имеет падение около 1,1–1,3 В, а современные LDO на МОП-транзисторах — 0,1–0,3 В.

Пример, где это решает всё: получить 3,3 В из литиевого аккумулятора 3,7 В. Запаса всего 0,4 В, и с 7805-подобной схемой ничего не выйдет — нужен LDO с маленьким падением.

⚠️Внимание

Некоторые LDO требуют определённый выходной конденсатор: по ёмкости и по ESR (эквивалентному последовательному сопротивлению). С «неправильной» керамикой такой стабилизатор может самовозбудиться. Всегда открывай раздел даташита о выборе конденсаторов (обычно «Output Capacitor» или «Stability»).

Мощность и нагрев

Линейный стабилизатор работает как управляемый резистор: всё лишнее напряжение он превращает в тепло.

P = (Uвх − Uвых) · Iн (плюс небольшой собственный ток потребления).

Пример с рисунка: 12 В → 5 В при 100 мА → P = 7 · 0,1 = 0,7 Вт. Насколько нагреется корпус, показывает тепловое сопротивление кристалл–среда θJA из даташита. Для корпуса SOT-223 оно порядка 50–100 °C/Вт и сильно зависит от площади меди на плате. При 90 °C/Вт перегрев составит ≈ 63 °C над окружающей средой — уже на пределе.

Что делать, если греется:

• уменьшить разницу напряжений: питать от 7–9 В, а не от 12 В;
• увеличить площадь меди под корпусом (урок 5.8);
• поставить импульсный преобразователь (DC-DC): он не «сжигает» лишнее, а преобразует его, с КПД 80–95 %. Платой за это будут пульсации и более сложная разводка (Хоровиц, §6.19).

🛠Особенность Altium

В Altium выбор стабилизатора — выбор компонента с правильным посадочным местом. Обрати внимание на распиновку: у 7805 в TO-220 выводы идут «вход–земля–выход», у LM317 — «ADJ–выход–вход», а у LDO в SOT-223 порядок зависит от производителя. Перепутанная распиновка стабилизатора — классика первых плат. Проект с LDO — урок 11.1.1.

Практика

1. LM317, R1 = 240 Ом. Какое R2 нужно для 3,3 В? (R2 = R1·(Uвых/1,25 − 1) = 240 · 1,64 ≈ 394 Ом → ближайшее E24 — 390 Ом → Uвых ≈ 3,28 В.)
2. LDO 5 → 3,3 В при 300 мА. Мощность? Если θJA = 60 °C/Вт, какой перегрев? (0,51 Вт; ≈ 31 °C.)
3. Стабилитрон 3,3 В от 5 В, нагрузка 5 мА, Iст.мин = 2 мА. Резистор? Мощность стабилитрона без нагрузки? (R = 1,7 / 7 мА ≈ 243 → 240 Ом; ток ≈ 7,1 мА; P ≈ 23 мВт.)

🧯 Типичные ошибки

Стабилизатор раскалён, хотя ток небольшой

Почему Большая разница Uвх − Uвых: вся она превращается в тепло.

Как исправить Считай P = (Uвх − Uвых)·I заранее. Понижай входное напряжение или ставь DC-DC.

На выходе 7805 не 5 В, а 4,3 В

Почему Входного напряжения не хватает на «добавку» (dropout).

Как исправить Проверь, что Uвх ≥ Uвых + dropout с учётом просадок и пульсаций. Или бери LDO.

Выход LDO «звенит» на осциллографе

Почему Неподходящий выходной конденсатор: не та ёмкость или ESR.

Как исправить Подбери конденсатор строго по разделу о стабильности в даташите.

Стабилитрон сгорел, когда отключили нагрузку

Почему Мощность стабилитрона считали только для режима с нагрузкой.

Как исправить Считай худший случай: весь ток через стабилитрон.

Проверь себя

1. 1. Линейный стабилизатор: вход 9 В, выход 3,3 В, ток 200 мА. Сколько тепла?

   0,66 Вт1,14 Вт1,8 Вт
2. 2. Что такое dropout (падение напряжения) стабилизатора?

   Пульсации на выходеМинимальная разница Uвх − Uвых, при которой стабилизатор ещё работаетПадение выходного напряжения при перегреве
3. 3. Какое напряжение даст LM317 при R1 = 240 Ом и R2 = 720 Ом?

   3,75 В5 В1,25 В
4. 4. Для чего лучше всего подходит стабилизатор на стабилитроне?

   Питание микроконтроллера током 200 мАОпорное напряжение или маломощная цепьЗарядка аккумулятора

🎯Практическое задание~30 мин

Выбери LDO для платы, которая питается от USB (4,75–5,25 В) и потребляет до 250 мА при 3,3 В. Найди 2–3 подходящие микросхемы на сайтах производителей или у дистрибьюторов. Сравни dropout при 250 мА, требования к конденсаторам, корпус и θJA. Посчитай мощность в худшем случае (вход 5,25 В) и перегрев. Сохрани выбор — он пригодится в проекте 11.1.