Teorie

ŘADIČE

Užívají se k regulaci hlasitosti ve špičkových audiozařízeních. Pro tento účel je nutné použít otočný přepínač typu MBB (make before break - nejdřív přepni a potom rozpoj – někteří výrobci tento typ označují jako shorting) anebo přepínání řešit pomocí relátek ovládaných řídící jednotkou. Podle typu zapojení rezistorů je můžeme rozdělit na:

Sériový řadič

Princip zobrazuje obr. 1. Výhody jsou zřejmé – stačí dvoupaketový nejlépe 24 polohový přepínač a 46 odporů a můžeme sestavit řadič. Nevýhodou jsou stále všechny rezistory v cestě signálu a dále proměnlivá výstupní impedance. Kroky lze volit konstantní (např po - 3 dB) nebo proměnlivé – od minima rychleji a v polohách kolem maxima pomaleji – např po 2 dB. Je vhodné si stanovit jako předposlední krok hodnotu - 60 až - 80dB.

Řadič obr.1
Paralelní řadič (někdy též ladder – žebřík)

Je zobrazen na druhém obrázku. Jde o dokonalejší zapojení oproti sériové regulaci – signál prochází vždy pouze dvěma rezistory – ovšem za přibližně dvojnásobnou cenu. Na jeho zhotovení potřebujeme totiž čtyřpaketový přepínač a dále dvojnásobný počet odporů (uvažováno pro dvoukanálový zvuk). Jde o nejdokonalejší princip – jeho drobná nevýhoda spočívá pouze v proměnlivé výstupní impedanci v závislosti na poloze jezdce. Vstupní impedance zůstává konstantní ( uvažujeme-li impedanci následujícího stupně nekonečně velkou ). Tento a všechny níže uvedené řadiče mají dále výhodu v možnosti užít kvalitnější (dražší) rezistory pouze tam kde si to přejeme – v polohách kde posloucháme nejčastěji.

Řadič obr.2
Bočníkový řadič

Snaha vystačit pouze s jednou sadou rezistorů a jedním paketem na kanál vedla k tomuto zapojení zobrazenému na obr. 3. Princip je zřejmý – amplituda signálu je dána sériovou kombinací R1 ku Rx. Signál skutečně prochází pouze dvěma rezistory. Nutné předpoklady pro kvalitní funkci tohoto zapojení je však a) R1 je vhodné volit v rozmezí 10 - 20 kOhm, b) velmi nízká kapacita následujícího stupně (preampu) – např jestliže bude mít preamp R vstup = 1MEG a kapacitu 15 pF a zároveň užijeme kombinaci R1/Rx = 10k/100k bude omezena šířka pásma (-3dB) na cca 1.19 Mhz, což znamená fázový posuv napětí před vstupem do preampu cca o 1 stupeň na 20 kHz. K omezení šířky pásma však dochází u všech řadičů – jediným řešením by bylo kompenzovat celý řadič kapacitně což je finančně neúnosné. Přese vše však nabízí toto řešení lepší výsledky oproti sériovému zejména pokud používáme nejvyšších poloh regulátoru zřídka.

Řadič obr.3
Nové přístupy – sério-paralelní řadič

Výše uvedené zapojení je možné dále zdokonalovat, příkladem může být sérioparalelní zapojení podle obr. 4. Tento princip nebyl zatím nikde publikován. Jde o důmyslnou kombinaci která spojuje výhody sériového řadiče (1 paket a 24 rezistorů na kanál) a paralelního řadiče – (signál v tomto zapojení neprochází dvěma rezistory nýbrž třemi). Výstupní impedance je i v tomto případě proměnlivá, avšak nedosahuje tak vysokých hodnot oproti bočníkovému regulátoru. Např. při typické vstupní impedanci 25 kOhm je nejvyšší výstupní impedance 6 kOhm.

Řadič obr.4

NAPÁJECÍ ZDROJE

Elektronická zařízení potřebují ke své práci elektrickou energii – nejčastěji ve formě stejnosměrného napětí a proudu. Po transformaci, usměrnění a vyfiltrování následuje stabilizace napětí pro dosažení pokud možno konstantního napětí nezávislého na proudovém odběru. K tomu slouží stabilizátory – podle funkce rozlišujeme stabilizátory na sériové a paralelní. Základní zapojení jsou uvedena na obr. 1. a 2.

Obr. 1. princip sériového stabilizátoru Obr.2. princip paralelního stabilizátoru

V praxi se vyskytují obě zapojení včetně různých variant – např. s předregulačními obvody, s aktivní filtrací před stabilizací atd.

Sériové stabilizátory

Tyto stabilizátory realizované pomocí monolitických obvodů případně diskrétních součástek se používají zdaleka nejčastěji – pro běžné použití mají velmi dobré parametry a jednu dobrou vlastnost – jejich výkonová ztráta narůstá se zatížením – bez zátěže je minimální. Pro použití při napájení citlivých obvodů kde se pracuje s napěťovými úrovněmi do 1mV a požadujeme zdroje s velmi nízkým šumem a brumem se však příliš nehodí z těchto důvodů:

  • Z principu jejich funkce nelze dostatečně potlačit vstupní rušivá napětí – zejména brum – to lze však napravit dvoustupňovou regulací případně aktivní filtrací napájecího zdroje.
  • Snaha docílit velkého zesílení chybového zesilovače (a tím potlačení brumu) vede k nárůstu šumu na výstupu sériového stabilizátoru – tento je následně obtížně odstranitelný z důvodu velmi nízkého výstupního odporu.

Zde je přehled některých charakteristických vlastností nejčastěji používaných monolitických stabilizátorů:

  • Řada L78xx/L79xx/MC78xx/MC79xx a jim podobné mají fixní výstupní napětí, jejich napěťový šum je relativně nízký cca 170 -375 uV ef v pásmu 10Hz až 100kHz a napětí 22-24V, zato jejich potlačení vstupních napětí je nízké kolem -50 až -60 dB, varianta MC (ON semi, Farchild mají oproti řadě L poněkud lepší parametry
  • Monolity LM117, LM317, LM350, LT1083 – 85 pozitivní a LM337 negativní se vyznačují šumovým napětím na výstupu 0,003-0,001% z výstupního napětí v pásmu 10Hz -10 kHz což činí cca 720uVef při 24 V. Potlačení vstupních napětí je udáváno 80-85dB pro frekvenci 100 Hz poté se stoupající f tento poměr klesá.
  • Obvody LM723, MC1723 jež jsou dnes méně dostupné se vyznačovaly šumovým napětím cca 410 uV v pásmu 100Hz – 10 kHz při napětí 24V a potlačením vstupních napětí 86 dB pro 100Hz.

Někteří výrobci v poslední době přicházeji s novým řešením pro lineární sériové stabilizátory. Např. Linear Technology u obvodu LT3080 používá chybový zesilovač zapojený jako buffer (zesílení 1 x) s řídícím napětím odvozeným od velmi přesného zdroje proudu 10uA tekoucího přes externí rezistor (nastavení výstupního napětí). Udávaný šum je 40 uVef v pásmu 10-100kHz pro 1 V výstupního napětí. Výhody jsou zřejmé – chybový zasilovač pracuje se zesílením 1x a tedy s konstantním šumem na výstupu, odvození řídícího napětí je pomocí konstatního proudu tekoucího přes rezistor – šumová proudová složka sice na rezistoru vyvolává šumové napětí úměrné velikosti rezistoru – toto se však dá účinně potlačit paralelně připojeným C.

Mimo IO pro sériovou stabilizaci existuje nepřeberné množství zapojení s diskrétními součástkami – některé dosahují velmi nízké úrovně šumového napětí a zároveň velmi dobrého potlačení brumu.

Paralelní stabilizátory

Používají se méně často protože při zatížení spotřebičem s proměnlivým proudovým odběrem je jejich výkonová ztráta neúměrně vysoká. Na druhou stranu jsou vhodné pro spotřebiče které mají spíše konstantní odběr proudu a zároveň vyžadují co nejnižší podíl cizích napěťových složek. Můžeme je provozovat s předřadným rezistorem avšak výhodnější je rezistor nahradit zdrojem konstatního proudu viz Obr. 3.

Obrázek 3.

Pro nízké výkony má tento druh stabilizátorů některé výhody:

  • Potlačení brumu je velmi vysoké protože a) zdroj proudu má vysokou výstupní dynamickou impedanci – např. 100 kOhm. b) regulační obvod má naopak tuto impedanci velmi nízkou – dle konstrukce – typicky 0,1 - 0,05 Ohm. Protože oba obvody jsou řazeny sériově vychází potlačení vstupních napětí na úrovni – 120 dB a více.
  • Výstupní šum je extrémně nízký protože k němu nemůžou přispívat předchozí obvody které jsou buď odděleny zdrojem proudu nebo jsou jeho součástí – šumové napětí je tedy generováno zdrojem s vysokým odporem. Vlastní šum regulačního členu je dán jeho konstrukcí – při přiměřeném požadavku na stabilitu napětí v závislosti na zatížení a použití nízkošumových napěťových referencí se lze dostat na úroveň desítek uV.
  • Zkrat na výstupu ho nemůže ohrozit. Obvod propouští stále stejný proud nezávisle na zátěži.

A nevýhody:

  • Ze zdroje odebírá trvale konstantní proud nezávislý na odběru zátěže - má konstantní spotřebu rovnou maximální a je nutné zajistit vhodné chlazení.
  • Je konstrukčně složitější oproti sériovému stabilizátoru.

Výše uvedené vlastnosti z paralelních stabilizátorů činí ideální obvody pro napájení měřících zařízení, předzesilovačů atd. Paralelní regulátory se jako IO nevrábějí mimo TL 431 (LM431) , který je ovšem určen pro použití jako napěťová reference. V základním zapojení se tento obvod dá obtížně použít pro výkonovou regulaci z důvodu nízké výkonové ztráty 600mW a proud do 100mA.. Lze jej však doplnit podle Obr.4 a použít ho jako výkonového stabilizátoru.

Obrázek 4.

Úplné zapojení z diskrétních součástek používající zdroj konstantní proudu dává velmi dobré parametry a to úplné (neměřitelné) potlačení síťového brumu a zároveň výstupní šumové napětí desítek uV ef v pásmu 10Hz -40 kHz při výstupním napětí 24V.

Použitá literatura:

  • Elektronika , Karel Rauner, Západočeská univerzita v Plzni
  • Linear voltage regulators handbook – firemní materiály fy On semoiconductor
  • Datasheets LM317,LM350, MP78, MC7800, MC7900, MC1723 fy On semiconductor
  • Datasheets LT1083, 1084, 1085, LT3080 fy Linear Technologies
  • Konstrukce a zajímavé obvody z NF techniky, Karel Bartoň-A Radio – modré číslo 1/2001