Источники питания

Как получить стабильное напряжение для схемы: линейные стабилизаторы, LDO, стабилитроны и импульсные преобразователи — чем они отличаются, сколько энергии превращают в тепло и как выбрать подходящий вариант.

Почти любой схеме нужно стабильное напряжение: 5 В для логики, 3,3 В для микроконтроллера, ±12 В для операционных усилителей. Источник питания делает его из того, что есть — сетевого адаптера, аккумулятора, шины 12 или 24 В — и держит постоянным при изменении входного напряжения и тока нагрузки.

Виды стабилизаторов

Тип	Как работает	Плюсы	Минусы	Где применяют
Параметрический на стабилитроне	балластный резистор и стабилитрон параллельно нагрузке	простота, копеечная цена	малый ток, низкий КПД, напряжение зависит от тока и температуры	опорное напряжение, слаботочные цепи
Линейный стабилизатор (78xx, LM317)	регулирующий транзистор гасит избыток напряжения	низкий шум, простая схема, нет помех	потери (Uвх − Uвых) · I, нужен запас 2–3 В	питание аналоговых узлов, небольшие токи
LDO	линейный стабилизатор с малым минимальным перепадом	работает при перепаде в десятые доли вольта	те же потери, требования к выходному конденсатору	питание от аккумулятора, 3,3 В от 5 В
Импульсный понижающий (buck)	ключ и дроссель передают энергию порциями	КПД 80–95 %, большие токи	пульсации и помехи, сложнее разводка	основное питание плат, 5 и 3,3 В от 12–24 В
Импульсный повышающий (boost)	дроссель накапливает энергию и отдаёт её на более высоком напряжении	выход выше входа	пульсации, ограниченный ток	5 В от одного литиевого элемента, питание светодиодов
Изолированный (обратноходовой и др.)	трансформатор переносит энергию через гальваническую развязку	развязка от сети, несколько выходов	сложность, требования безопасности	сетевые блоки питания

Настраиваемый линейный стабилизатор удобно рассчитать в калькуляторе LM317: он подбирает резисторы делителя и считает мощность и радиатор.

Потери линейного стабилизатора

Линейный стабилизатор работает как управляемое сопротивление: весь избыток напряжения превращается в тепло на нём самом. Мощность потерь и КПД:

P = (U_\text{вх} - U_\text{вых}) \cdot I, \qquad \eta \approx \frac{U_\text{вых}}{U_\text{вх}}.

Пример: 5 В из 12 В при токе 0,5 А. На стабилизаторе теряется (12 − 5) · 0,5 = 3,5 Вт, КПД около 42 %. Без радиатора корпус TO-220 при комнатной температуре рассеивает порядка 1–2 Вт, так что здесь нужен радиатор — или импульсный понижающий преобразователь, который потеряет в тепле примерно десятую часть этой мощности. Тот же стабилизатор при токе 50 мА рассеет всего 0,35 Вт и обойдётся без радиатора: при малых токах линейная схема проще и чище.

Как выбрать источник

Ток и перепад напряжений. Посчитайте потери линейного варианта по формуле выше. Если они больше 1–2 Вт, выгоднее импульсный преобразователь.
Шум и пульсации. Импульсный преобразователь создаёт пульсации на частоте переключения и помехи. Для АЦП, опорных источников и аудиотракта ставят линейный стабилизатор или LDO — отдельно или после импульсного.
Напряжение источника. Если вход может опуститься ниже нужного выхода — например, у разряженного аккумулятора, — нужен LDO с малым перепадом или повышающе-понижающий преобразователь.
Безопасность. Устройства, связанные с сетью 230 В, питают от изолированных источников. Бестрансформаторные схемы с гасящим конденсатором не дают развязки: любая точка схемы может оказаться под сетевым напряжением.

Защита цепей питания

Плавкий предохранитель или самовосстанавливающийся PTC — от короткого замыкания и перегрузки.
Защита от переполюсовки — диод Шоттки последовательно с плюсом (теряет 0,3–0,5 В) или P-канальный MOSFET практически без потерь.
TVS-диод на входе — от выбросов напряжения при подключении длинных проводов и индуктивной нагрузки.
Конденсаторы по входу и выходу — по рекомендации даташита стабилизатора: от их ёмкости и ESR зависит устойчивость, особенно у LDO.

Расчёт тока и мощности для любой цепи — в калькуляторе закона Ома, делитель обратной связи стабилизатора — в калькуляторе делителя напряжения.

Готовятся к публикации

LDO-стабилизаторы · Понижающий преобразователь (buck) · Повышающий преобразователь (boost) · Аккумуляторы и зарядные устройства · Защита от переполюсовки

Частые вопросы

Почему сильно греется стабилизатор 7805?

Линейный стабилизатор гасит разницу напряжений на себе: мощность потерь равна (Uвх − Uвых) · I. При 12 В на входе, 5 В на выходе и токе 0,5 А это 3,5 Вт — без радиатора корпус TO-220 столько не рассеет. Уменьшите входное напряжение, поставьте радиатор или замените стабилизатор импульсным понижающим модулем.

Чем LDO отличается от обычного линейного стабилизатора?

Минимальной разницей между входом и выходом (dropout voltage). Классическим 7805 и LM317 нужно 2–3 В запаса, LDO работают при перепаде в десятые доли вольта: например, 3,3 В можно получить от литиевого аккумулятора с напряжением 3,6–4,2 В. Точное значение зависит от модели и тока — смотрите dropout voltage в даташите.

Когда нужен импульсный преобразователь вместо линейного?

Когда разница напряжений и ток большие: потери линейного стабилизатора растут пропорционально перепаду, а КПД понижающего импульсного преобразователя обычно 80–95 %. Ещё импульсный нужен, чтобы получить напряжение выше входного. Линейный выигрывает там, где важны низкий шум и простота: питание АЦП, опорных источников, аналоговых каскадов.

Как защитить схему от неправильной полярности питания?

Проще всего — последовательным диодом, лучше диодом Шоттки: на нём теряется 0,3–0,5 В. Без потерь работает P-канальный MOSFET в цепи плюса, включённый так, что при правильной полярности он открыт, а при обратной закрыт. Для мощных цепей выпускают специальные микросхемы идеальных диодов.