Regulatory napięcia vs prąd spoczynkowy

Autor: Dondu

Regulatory napięcia - Spis treści

Tym razem zaczniemy od pytań zadanych przez kol. liquee:

liquee
A jak z poborem prądu względem wejście/wyjście? Tzn. jeśli mam stabilizator 5V i układ nim zasilany bierze 30mA, to jaki prąd popłynie na wejściu stabilizatora, przy 12V?

Czy prąd będzie też wynosił 30mA (+straty na stabilizatorze), czy ze względu na wyższe napięcie na wejściu prąd będzie niższy?

Czy jakoś się to odczytuje z datasheeta?

... i są to bardzo dobre pytania :-)

Blokowy schemat pracy regulatora napięcia wygląda następująco:

Rys. 1 - Blokowy schemat pracy
regulatora napięcia.

gdzie:

• V - symbolizuje napięcie podłączone pomiędzy punkty A(+) i B(-).
• R_LOAD - to nasze obciążenie (pisałem o tym w artykule: LOAD - co to takiego?).
• A, B, C, D - gałęzie układu.

Regulator to układ elektroniczny, który oprócz generowania zasilania dla układu wyjściowego, do prawidłowej pracy także zużywa energię. Przykładowy schemat blokowy regulatora wygląda tak:

Rys. 2 - Moduły wewnętrzne regulatora napięcia.

Jak widzisz wewnętrzne układy także są podłączone do masy (nóżka GND regulatora), a to oznacza, że część prądu pobieranego z zasilacza trafia do masy już w samym regulatorze. Na naszym schemacie blokowym (rys. 1), to gałąź oznaczona literką D, a fizycznie jest to wyprowadzenie oznaczone symbolem GND.

Do zrozumienia tematu potrzebne nam będzie:

Pierwsze prawo Kirchoffa:
Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła.

Pierwsze prawo Kirchoffa na Wikipedia.pl.

Jak to się ma do naszego schematu?

Dla nas Pierwsze prawo Kirchoffa oznacza, że:

• w gałęziach A i B prąd będzie miał tę samą wartość.
• suma prądów w gałęziach C i D równać się będzie prądowi płynącemu w gałęzi A (lub B).

Możemy to przedstawić wzorem:

IA = IB = IC + ID

Dokonajmy pomiarów empirycznych

Ponieważ układ pracy regulatora napięcia jest prosty, to zmontujemy układ pomiarowy i dokonamy pomiarów prądów w gałęziach A, C oraz D.

W tym celu wykorzystam posiadany regulator napięcia 3,3V: LF33CV

Układ pomiarowy zbudujemy zgodnie z wymogami tego regulatora napięcia, czyli dodamy kondensatory niezbędne do jego prawidłowej pracy.

Zastosujemy pomiar prądu poprzez wstawienie w szereg rezystorów o znanej wartości i będziemy na ich końcach zmierzyć spadek napięcia. Następnie dokonamy obliczenia prądu z zastosowaniem Prawa Ohm'a znając dla każdego rezystora wartość jego rezystancji i odłożone na nim napięcie. Taka metoda pozwala wykonać nam pomiary za pomocą jednego multimetru.

Rezystory powinny mieć wartość rzędu 1-3Ω. Ponieważ pomiary dokonywałem z wykorzystaniem płytki stykowej i nie miałem akurat takich rezystorów w wersji THT, stąd mój schemat pomiarowy wyglądał następująco:

Rys. 3 - Układ pomiarowy.

Pomiary rezystorów oraz napięć dokonywałem multimetrem Metex M-3610 na zakresach odpowiednich dla danego pomiaru. Pomiary przeprowadziłem dla napięć źródła zasilania 6V i 12V, i obciążeń 17mA oraz 330mA uzyskanych za pomocą rezystorów (jako R3) odpowiednio 197,1Ω i 10Ω.

Jednakże ze względu na metodę pomiarową i występujący na rezystorze R1 spadek napięcia (zależy od przepływającego przez niego prądu), faktyczne napięcie zasilania regulatora są inne dla każdego przypadku. Dlatego zmierzyłem je i zaznaczyłem na schematach poniżej. 

W pomiarach pomijamy prądy upływności kondensatorów, ponieważ są one na tyle małe, że nieistotne dla nas.


Wyniki pomiarów

Na czerwono wyniki pomiarów napięć multimetrem.
Na niebiesko wyniki obliczone na podstawie Prawa Ohm'a.


Zasilanie 6V obciążenie prądem 17mA:

Zasilanie 12V obciążenie prądem 17mA:

Zasilanie 6V obciążenie prądem 330mA:

Zasilanie 12V obciążenie prądem 330mA:

Uwagi do metody pomiarowej

• układ pomiarowy zbudowany na płytce stykowej,
• w pomiarach pomijamy prądy upływności kondensatorów, ponieważ są one na tyle małe, że nieistotne dla nas,
• pomijamy także spadki napięć na stykach płytki,
• rezystory zmierzone multimetrem,
• pomiary wykonywane w temperaturze pokojowej,
• regulator napięcia bez radiatora.

Sumując prądy gałęzi C i D nie uzyskasz dokładnie prądu w gałęzi A. Jest to spowodowane dokładnością multimetru, którym mierzyłem rezystory oraz w drugiej kolejności spadki napięcia na nich. Jednakże licząc błąd pomiaru zauważysz, że mieści się on w przyzwoitym zakresie, a dla potrzeb niniejszego artykułu pomiary są wystarczająco dokładne.


Czas na:

Odpowiedzi na postawione pytania

Wracając do pytań kol. liquee odpowiedzi na nie są następujące:

Pytanie pierwsze:

liquee
A jak z poborem prądu względem wejście/wyjście? Tzn. jeśli mam stabilizator 5V i układ nim zasilany bierze 30mA, to jaki prąd popłynie na wejściu stabilizatora, przy 12V?

Prąd na wejściu regulatora napięcia będzie składał się z sumy wartości prądu pobieranego na jego wyjściu oraz prądu pobieranego przez regulator napięcia, niezbędnego do jego prawidłowej pracy.



Pytanie drugie:

liquee
Czy prąd będzie też wynosił 30mA (+straty na stabilizatorze), czy ze względu na wyższe napięcie na wejściu prąd będzie niższy?

Sumaryczny prąd pobierany przez zasilany regulatorem napięcia układ oraz sam regulator, będzie nieznacznie się różnił w zależności od napięcia zasilania danego regulatora.

Jednakże pytanie to ma głębszy podtekst (to czuł właśnie kol. liquee), bo skoro zmniejszamy napięcie z 12V do 5V, a prąd jest ten sam, to coś tutaj jeszcze ma miejsce, tylko co?

No to popatrzmy na to inaczej, czyli od strony mocy (wzór wszyscy oczywiście znają):

P = U · I

Przyjmijmy, że prąd spoczynkowy regulatora napięcia wynosi 1mA (kol. liquee nie podał typu regulatora napięcia), mamy więc dla strony wejściowej regulatora:

P = 12V · (30mA+1mA)  = 0,372W

A ile mocy faktycznie pobiera strona zasilana układu (R_LOAD) z pytania kol. liquee?:

P = 5V · 30mA = 0,15W

Gdzie więc traci się nam?:

Ptracona = 0,372W - 0,15W = 0,222W

Nie na darmo regulator napięcia ma radiator, ponieważ strata ta wydzielana jest w postaci ciepła. Częstym błędem początkujących jest stosowanie regulatorów napięcia zasilanych w górnych granicach dopuszczalnych dla nich napięć wejściowych - ale o tym napiszemy w następnym artykule z tego cyklu.

A na razie policz sobie ile mocy wydzieli się na radiatorze w przypadku pobierania prądu np. 1A.



Pytanie trzecie:

liquee
Czy jakoś się to odczytuje z datasheeta?

Tak, a konkretnie chodzi o:


Quiescent Current (ID)

Prąd pobierany przez regulator napięcia podawany jest z reguły, jako tzw. prąd spoczynkowy (ang. Quiescent Current) i oznaczany jako ID.

Innymi słowy jest to prąd, który pobiera regulator w wyniku pracy jego wewnętrznych układów (płynie w gałęzi D naszego układu pomiarowego).

W przypadku zastosowanego przeze mnie regulatora LF33CV datasheet wskazuje, że prąd spoczynkowy regulatora przy braku obciążenia (prąd w gałęzi C rys. 1 wynosi zero, w datasheet oznaczony jako Io) prąd pobierany przez regulator (prąd ID) wynosi typowo 0,5mA i maksymalnie 1mA. W tym przypadku zgodnie z prawem Kirchoffa prąd pobierany ze źródła zasilania wynosić będzie tyle samo.

W przypadku obciążenia wyjścia regulatora prądem 500mA, prąd spoczynkowy może sięgnąć do 12mA. innymi słowy ze źródła zasilania maksymalnie będzie pobierane:

IMAX = 500mA + 12mA = 512mA

Zauważ, że w przypadku LF33CV producent nie podaje zależności prądu spoczynkowego od wartości napięcia zasilającego regulator pomimo, że z naszych pomiarów prąd spoczynkowy uzależniony jest od napięcia go zasilającego.

Ale w innym regulatorze, który jest dedykowany specjalnie temu parametrowi, takie dane już są prezentowane. Popatrzmy na:

Regulator o bardzo niskim Quiescent Current

Jako przykład MCP1700 firmy Microchip.

Popatrzmy na jego prąd spoczynkowy:

Jak widzisz jest on znacznie niższy niż w przypadku LF33CV. No właśnie dlatego, że jest on tak niski, regulator ten znajduje zastosowanie w szczególności w urządzeniach zasilanych z baterii, czy akumulatorów, ponieważ wtedy zależy nam na jak najmniejszych stratach energii.

Dodatkowo producent podaje wykres prądu spoczynkowego w zależności od napięcia wejściowego oraz temperatury:

Mam nadzieję, że teraz wszystko jest już jasne pod tym kątem :-)
Jeżeli nie, to zapraszam do zadawania pytań za pomocą komentarza.


Regulatory napięcia - Spis treści