Lab-tips: spanningsstabilisatoren

(gepubliceerd op 19-12-2017)

Als u een voeding nodig hebt, schakelt u negen kansen op tien een 78xx of een 79xx stabilisator in. Maar met die handige driepootjes kunt u veel meer dan enkelvoudige voedingsspanningen stabiliseren, dat bewijzen de tien praktische tips in dit artikel.

Nauwkeurige symmetrische voeding met stabilisatoren

Geïntegreerde serie-stabilisatoren hebben een bepaalde spreiding op hun uitgangsspanningen. Zo wordt de uitgangsspanning van een 7812 gespecificeerd tussen +11,4 V en +12,6 V. Dezelfde toleranties gelden voor negatieve stabilisatoren. Als u een symmetrische voeding ontwerpt met een 7812 en een 7912 kan het, in het ongunstigste geval, voorkomen dat er een spanningsverschil van 1,2 V ontstaat tussen beide uitgangsspanningen.
Nu zijn er echter kritische schakelingen die vereisen dat de beide voedingsspanningen heel precies aan elkaar gelijk zijn. U zou dan 7812'en en 7912'en kunnen gaan selecteren op spanningsgelijkheid, maar dat is een vervelende en moeizame klus. Veel beter kunt u gebruik maken van het schema van onderstaande figuur.
Hierbij wordt een operationele versterker ingezet voor het besturen van de twee stabilisatoren. Deze sturing zorgt ervoor dat beide uitgangsspanningen aan elkaar gelijk worden. De niet-inverterende ingang van de operationele versterker ligt aan de massa. De inverterende ingang wordt verbonden met het knooppunt van de weerstanden R1 en R2. Deze moeten precies aan elkaar gelijk zijn, het is dus noodzakelijk daarvoor 1 % weerstanden in te zetten. De operationele versterker werkt als vergelijker en zal streven naar spanningsgelijkheid op beide ingangen. Omdat de niet-inverterende ingang aan de massa ligt zal de schakeling er naar streven ook de spanning op de inverterende ingang gelijk te maken aan 0 V. Het zal duidelijk zijn dat dit alleen het geval is als de twee uitgangsspanningen in absolute waarde precies aan elkaar gelijk zijn. Dan valt er immers over R1 en R2 even veel spanning en staat hun knooppunt op 0 V. Bij spanningsgelijkheid staat ook de uitgang van de operationele versterker op 0 V. De twee massa-aansluitingen van de stabilisatoren liggen dan ook op 0 V.
Als echter de twee schakelingen geen gelijke spanningen genereren, dan zou in eerste instantie het knooppunt van de twee weerstanden op een van 0 V afwijkende spanning komen te staan. Het gevolg is dat de uitgang van de operationele versterker positief of negatief wordt. De massa-referenties van de stabilisatoren gaan dan zweven, met als gevolg dat de ene meer stroom naar de uitgang van de operationele versterker afvoert en de andere minder. Het resultaat van deze actie is dat de uitgangsspanningen zich aan elkaar aanpassen en er volmaakte symmetrie op de uitgang ontstaat.

Een nauwkeurige symmetrische voeding met serie-stabilisatoren. (© 2017 Jos Verstraten)

Twee verschillende spanningen met stabilisatoren

Vaak komt het voor dat u twee verschillende positieve voedingsspanningen in een schakeling nodig hebt, bijvoorbeeld +5 V voor het voeden van TTL-IC's en +10 V voor het voeden van operationele versterkers. U kunt dan natuurlijk de voeding samenstellen met een 7805 en een 7810. Maar in de industrie streeft men zoveel mogelijk naar standaardisatie. Het is goedkoper om in een schakeling twee identieke onderdelen te gebruiken dan twee verschillende.
Dat probleem kunt u oplossen door de schakeling van onderstaande figuur toe te passen. De onderste 78M05 is standaard geschakeld. De massa-pen gaat naar de massa, de uitgang levert +5 V. De massa-pen van de bovenste is echter verbonden met de +5 V uitgang. De schakeling beschouwt dit punt als referentie en wekt dus een spanning van +5 V op ten opzichte van deze referentie. Maar ten opzichte van de eigenlijke massa staat de uitgang van de bovenste stabilisator op een spanning van +10 V.
De weerstand R1 is noodzakelijk om een stroompad te creëren voor de massa-aansluiting van de bovenste stabilisator.

Twee verschillende spanningen met serie-stabilisatoren. (© 2017 Jos Verstraten)

Vergroten van de uitgangsstroom van een stabilisator

In onderstaande figuur is een schakeling getekend waarbij u, door het aanbrengen van een externe serietransistor, de stroomcapaciteit van een serie-stabilisator probleemloos kunt opvoeren.
De weerstand R1 bepaalt het moment waarop de externe transistor T1 in geleiding wordt gestuurd en gaat deelnemen aan de levering van uitgangsstroom. U kunt dus deze weerstand zo berekenen dat, zolang de schakeling niet meer stroom moet leveren dan deze die de stabilisator aan kan, de externe transistor werkloos blijft.
De formule voor het berekenen van deze weerstand is naast het schema gegeven. Hierin is:
       - VBE1 de basis-emitter spanning van de transistor T1.
       - IREG de maximale uitgangsstroom van de stabilisator.
       - IOUT de gevraagde maximale stroom van de voeding.
       - ß de stroomversterkingsfactor van de transistor T1.

Vergroten van de uitgangsstroom van een serie-stabilisator. (© 2017 Jos Verstraten)

Stabilisator op te hoge ingangsspanning aansluiten

De meest voor de hand liggende methode om de een serie-stabilisator aan te sluiten op een te hoge spanning is uiteraard het in serie opnemen van een voorschakelweerstand. Deze schakeling kan echter alleen gebruikt worden als het zeker is dat de aangesloten schakeling een vrij constante stroom van de voeding vraagt. Het nadeel is dat kleine variaties in de stroom grote variaties op de ingangsspanning van de stabilisator tot gevolg hebben.
In onderstaande figuur is een veel betere schakeling getekend. De stabilisator wordt nu vooraf gegaan door een emittervolger, waarvan de basis wordt ingesteld door middel van een zenerdiode. In het getekend voorbeeld heeft deze een spanning van 20 V. De basisspanning is dus gelijk aan deze waarde en de emitter zal op een spanning van ongeveer 19,4 V komen te staan. Dat wordt nu de gereduceerde ongestabiliseerde ingangsspanning van de serie-stabilisator. De schakeling werkt nu volledig onafhankelijk van de afgenomen stroom. Wel gaat er heel wat vermogen in de transistor verloren, zodat deze voldoende gekoeld moet worden.

Een serie-stabilisator op te hoge ingangsspanning aansluiten. (© 2017 Jos Verstraten)

Verhogen van de spanning van een serie-stabilisator

Met het schema van onderstaande figuur kunt u de uitgangsspanning van een serie-stabilisator veel hoger maken dan deze die op de behuizing vermeld staat. Zoals bekend stelt de uitgangsspanning van een serie-stabilisator zich altijd in op een spanning die x V hoger is dan de spanning die op de COMMON staat. Hierbij staat x voor de natuurlijke uitgangsspanning van het IC.
In normale omstandigheden legt u de COMMON aan de massa, zodat de uitgang een spanning van x V levert ten opzichte van de massa. In het getekende schema wordt de COMMON echter ingesteld op een spanning die wordt bepaald door de zenerdiode D1. In het getekende voorbeeld is dat een diode van 20 V, zodat de COMMON van de stabilisator op een spanning van +20 V staat ten opzichte van de massa.
De 7824 levert op de uitgang een spanning die 24 V positiever is dan de spanning op de COMMON. Het resultaat is dat de uitgang ten opzichte van de massa op een spanning staat van 20 V + 24 V = 44 V.
Deze schakeling kan gevoed worden uit een ongestabiliseerde spanning van maximaal +85 V.

Verhogen van de spanning van een serie-stabilisator. (© 2017 Jos Verstraten)

Veilig verhogen van de spanning van een stabilisator

Een tweede, veilig, alternatief voor het verhogen van de uitgangsspanning van een stabilisator is getekend in onderstaande figuur. Ook nu wordt de COMMON ingesteld op een hogere spanning dan het massapotentiaal door middel van de zenerdiode D1. De darlington-trap rond de transistoren T1 en T2 wordt door de zenerdiode D2 ingesteld op een spanning van 32 V ten opzichte van de spanning op de COMMON. Het eerste voordeel van deze schakeling is dat het spanningsverschil tussen IN en COMMON nooit groter kan worden dan de door de fabrikant gespecificeerde maximale waarde. Ook nu stelt de uitgang zich in op een spanning die 24 V hoger is dan de spanning op de COMMON, dus +44 V.
Maar wat gebeurt er nu als de uitgang wordt kortgesloten naar de massa? Het gevolg is dat de kathode van de diode D3 wordt verbonden met de massa. De anode van dit onderdeel hangt aan de COMMON van het IC, die op een spanning van +20 V staat. Het gevolg is dat de diode gaat geleiden. De COMMON wordt via de geleidende diode verbonden met de massa en stelt zich in op de geleidingsspanning van de diode, +0,65 V. De zenerdiode D2 komt nu met de anode op hetzelfde potentiaal te staan, zodat de kathode op een spanning staat van ongeveer +32,7 V ten opzichte van de massa. De darlington rond de transistoren Q1 en Q2 neemt deze spanning over.

Veilig verhogen van de spanning van een serie-stabilisator. (© 2017 Jos Verstraten)

Instellen van de uitgangsspanning van een stabilisator

U kunt serie-stabilisatoren met een vaste uitgangsspanning op een zeer eenvoudige manier instellen op een hogere uitgangsspanning. Om de werking van de onderstaande schakeling te kunnen begrijpen is het noodzakelijk even terug te gaan naar het basisprincipe van serie-stabilisatoren. De uitgangsspanning stelt zich in op een spanning die x V hoger is dan de spanning op de COMMON. Die x is afhankelijk van het type en komt overeen met de codering op het IC. Bij een 7805 is x gelijk aan +5 V, bij een 7915 is x gelijk aan -15 V. Daarnaast is het zo dat de stabilisator een stroom Iq opneemt van de voeding voor het instellen van de interne schakelingen. Deze stroom wordt weer afgevoerd via de COMMON aansluiting.
In de meeste gevallen ligt de COMMON aan de massa en vloeit deze stroom dus af naar de massa. Aan de hand van deze twee feiten kunt u de werking van de schakeling begrijpen. Tussen de gestabiliseerde uitgang en de massa is een weerstandsdeler opgenomen, bestaande uit de weerstanden R1 en R2. De COMMON is aangesloten op het knooppunt van beide weerstanden. Over de weerstand R1 staat de natuurlijke spanning Ureg van de stabilisator. Bij een 7815 is Ureg dus gelijk aan +15 V. Dit is immers de spanning tussen de UIT en de COMMON. Het is nu niet moeilijk om de uitgangsspanning Uuit ten opzichte van de massa te berekenen. Over R1 valt Ureg, u kunt dus de stroom door deze weerstand met de wet van Ohm berekenen. Deze stroom vloeit ook door de weerstand R2 en wekt over deze weerstand een spanningsval op. Deze spanning staat, in serie met Ureg, tussen de massa en de uitgang van de schakeling. De uitgangsspanning van de schakeling is dus gelijk aan:
Uuit = UR2 + Ureg
Op deze zeer eenvoudige manier kunt u de uitgangsspanning van een serie-stabilisator instellen op een hogere spanning.
Er is echter één klein puntje, waarmee u rekening moet houden. Zoals geschreven voert het IC zijn eigen stroom af naar de massa via de COMMON. Deze stroom Iq vloeit door de weerstand R2 en wekt over dit onderdeel een extra spanningsval op. Vandaar dat de beschreven berekeningswijze van de uitgangsspanning niet helemaal klopt. Om de exacte waarde van de uitgangsspanning te kennen moet u weten hoe groot Iq is. Maar deze stroom is vrij klein en als u de waarde van de weerstanden R1 en R2 ook vrij klein kiest zal de spanningsval die Iq over R2 opwekt te verwaarlozen zijn.

Instellen van de uitgangsspanning van een serie-stabilisator. (© 2017 Jos Verstraten)

Regelbare voeding met een stabilisator

De uitgangsspanning van een serie-stabilisator is gelijk aan de spanning op de COMMON + de natuurlijke spanning van het IC. Als u dus de spanning op de COMMON regelbaar maakt, zal ook de uitgangsspanning regelbaar zijn. Een logisch gevolg van deze stelling is dat het mogelijk is de uitgangsspanning van een serie-stabilisator kleiner te maken dan de natuurlijke uitgangsspanning van het IC. Stel als voorbeeld een 7805. Dit IC stelt zijn uitgangsspanning in op een spanning die 5 V positiever is dan de spanning op de COMMON. Als u de COMMON op -4 V instelt, dan zal de uitgangsspanning van de stabilisator gelijk zijn aan +1 V. Op deze manier kunt u op een zeer eenvoudige manier een regelbare voeding ontwerpen.
Van dit principe wordt gebruik gemaakt in het schema van onderstaande figuur. Deze schakeling is een regelbare voeding met een instelbereik van +0,5 V tot +10 V bij een maximale stroom van 1 A. De COMMON van de stabilisator wordt verbonden met de uitgang van een operationele versterker. Deze schakeling wordt gevoed uit een symmetrische spanning, zodat de uitgangsspanning ook negatief kan worden. De niet-inverterende ingang van de operationele versterker is aangesloten op de loper van een potentiometer R3 die tussen de uitgang en de massa is geschakeld. De spanning op deze ingang wordt vergeleken met de spanning op de inverterende ingang. Deze is aangesloten op een spanningsdeler tussen de OUT en de COMMON. Tussen deze twee pennen staat een constante spanning, namelijk de natuurlijke uitgangsspanning van de serie-stabilisator. In het getekende voorbeeld is deze spanning dus gelijk aan 5 V. De operationele versterker vergelijkt de spanning op de inverterende ingang met deze op de niet-inverterende ingang en zal er naar streven dit spanningsverschil minimaal te maken. Het gevolg is dat de COMMON van de serie-stabilisator wordt gestuurd met een spanning, waarvan de grootte afhankelijk is van de stand van de loper van de potentiometer R3. Op deze manier is het mogelijk de uitgangsspanning van de schakeling in te stellen tussen +0,5 V en +10,0 V.
Het zal duidelijk zijn dat u hetzelfde principe ook kunt toepassen op serie-stabilisatoren met een negatieve uitgangsspanning.

Een regelbare voeding met een serie-stabilisator van het type 7805. (© 2017 Jos Verstraten)

Constante stroombron met een stabilisator

In onderstaande figuur is het schema getekend van een constante stroombron met een serie-stabilisator met positieve uitgangsspanning. Ook deze schakeling werkt door het op een vlottend potentiaal instellen van de COMMON. De weerstand R1 staat tussen de COMMON en de UIT geschakeld. Over deze weerstand valt dus de natuurlijke spanning van de stabilisator. Als een stabilisator van +5 V wordt toegepast staat over deze weerstand onder alle omstandigheden een spanning van 5 V.


Het gevolg is dat deze weerstand doorlopen wordt door een constante stroom. De waarde van deze stroom kan berekend worden met de wet van Ohm en is gelijk aan de spanning gedeeld door de weerstand. Deze stroom kan alleen afvloeien via de belastingsweerstand RL naar de massa. Ook deze weerstand wordt dus doorlopen door een constante stroom. De waarde van deze belastingsweerstand maakt, binnen bepaalde grenzen, niets uit. De stroom die de schakeling levert wordt immers alleen bepaald door de weerstand R1 en door het type stabilisator. U kunt dus besluiten dat deze schakeling werkt als ideale stroombron.
Uiteraard moet u er rekening mee houden dat de eigen stroom Iq van de stabilisator, die afvloeit via de COMMON, ook door de belastingsweerstand vloeit. Deze stroom is echter klein en u kunt deze vaak verwaarlozen.

Een constante stroombron met een serie-stabilisator. (© 2017 Jos Verstraten)

Op afstand inschakelbare voeding met een stabilisator

Bij sommige toepassingen kan het nuttig zijn als u in staat bent de voedingsspanning door middel van een controlesignaal in en uit te schakelen. Er zijn speciale spanningsstabilisatoren op de markt, die daarvoor een extra ingang hebben. Maar ook met de standaard schakelingen van de 78xx en de 79xx serie kan dat op een vrij eenvoudige manier.
Het schema is getekend in onderstaande figuur. Tussen de ongestabiliseerde spanning en de ingang van de serie-stabilisator staat een transistor T1 geschakeld. De basis van deze halfgeleider wordt via de kleine weerstand R1 met de emitter verbonden. Maar daarnaast gaat de basis via de weerstand R2 en de transistor T2 naar de massa. De basis van deze tweede transistor wordt gestuurd met een digitaal signaal LOGIC INPUT.
Als dit signaal 'L' is zal de transistor T2 sperren. Het gevolg is dat de basis van T1 via de weerstand R1 verbonden is met de emitter. Er staat geen spanning over de basis-emitter overgang, de transistor spert. De serie-stabilisator ontvangt geen ingangsspanning en uiteraard is dan ook de uitgangsspanning 0 V.
Als de transistor T2 in geleiding wordt gestuurd door een 'H' op de ingang zal de basis van T1 via de geleidende transistor T2 met de massa worden verbonden. Er kan nu basisstroom vloeien met als gevolg dat de transistor volledig in verzadiging gestuurd wordt. De serie-stabilisator krijgt ingangsspanning en levert zijn gestabiliseerde uitgangsspanning.

Een op afstand inschakelbare voeding met een serie-stabilisator. (© 2017 Jos Verstraten)

(Banggood sponsor advertentie)
Koop uw oscilloscoop bij Banggood