Pri výpočtoch stratového výkonu sa uvádzali podmienky pri skrate. Bude vhodné uviesť základné vzťahy pre ich výpočet. Ako príklad vezmeme lineárny integrovaný stabilizátor, ktorý má obmedzený výstupný prúd a okrem toho ochranu pred výkonovým preťažením. Tá nedovolí, aby teplota prechodu prekročila povolenú hodnotu. Urobme rozbor pracovných podmienok takéhoto stabilizátora za všetkých okolností. Vyšetrovanie rozdelíme do troch oblasti:

a) normálna pracovná oblasť, výstupný prúd neprekročí povolenú limitnú hodnotu
b) oblasť obmedzenia výstupného prúdu
c) oblasť obmedzenia stratového výkonu

Tieto oblasti je možné vymedziť výstupným prúdom alebo hodnotou odporu záťaže. Pre výpočet stratového výkonu použijeme odpor záťaže ako nezávislú premennú. Od nekonečne veľkej hodnoty (výstup naprázdno) do maximálneho povoleného prúdu je normálna pracovná oblasť (a), oblasti b) a c) sú pásma preťaženia. Rozbor končí nulovým odporom záťaže (výstup nakrátko, skrat). Vykonáme výpočet stratového výkonu v závislosti na odpore záťaže. Ako príklad použijeme stabilizátor v nasledujúcom zapojenia (7805) a s hodnotami:

vstupné napätie U₁ - 12 V
výstupné napätie U₂ - 5 V
maximálny prúd I_m - 1 A
maximálny výkon P_m - 9 W

Maximálny výkon je vypočítaný z tepelného odporu použitého chladiča a teploty, pri ktorej začína pôsobiť výkonová ochrana.

Principiálne zapojenie pre pochopenie výpočtu a vzťahov.

Normálna pracovná oblasť stabilizátora.

Kľúdový proud stabilizátora Is je podstatne menší než prúd pracovný a môžeme ho preto zanedbať. Prúd záťaže je potom rovnaký ako prúd prechádzajúci stabilizátorom. Výstupné napätie je konštantné. Strátový výkon stabilizátora je:

P_z = (U₁ - U₂) . I_L

Po dosadení za I₂ = U₂ / R_L:

P_z = (U₁ - U₂) . U₂ / R_L

Pretože obe napätia U₁ a U₂ sú konštanty a premenná R_L je v menovateli, je charakteristikou pre túto oblasť hyperbola a (viď graf). Pri ideálnom zdroji napätia U₁ by bol pri skrate (R_L = 0) stratový výkon je potom nekonečne veľký. Pre zdroje, pri ktorých nie je možné vylúčiť skrat výstupu, sa preto robí obmedzenie výstupného prúdu na konštantnú hodnotu I_m. To je tak isto náš prípad.

Oblasť konštantného výstupného prúdu.

Pokiaľ je odpor záťaže menší než U₂ /  I_m, je výstupný prúd konštantný a výstupné napätie klesá. Napätie U₂ môžeme vyjadriť pomocou rovnice U₂ = R_L . I_m. Potom pre stratový výkon vychádza vzťah:

P₂ = (U₁ - U₂) * I_m = U₁ * I_m - R_L * I²_m

kde U₁ a I_m sú konštany.
Vzťah teda predstavuje rovnicu priamky b, ktorá pretína osy grafu P_Z / R_L v bodoch:

os X: (P_z = 0) R_L = U₁ / I_m = 12 Ω
os Y: (R_L = 0) P_z = U₁ * I_m = 12 W

Maximálny stratový výkon pri obmedzení prúdu je teda konečný, ale stále je ešte  vyšší, ako výkon, na ktorý je navrhnutý chladič.

Z rovnosti výkonov pre hyperbolu a a priamku b môžeme určiť priesečníky:

Reišením kvadratickej rovnice sú hodnoty odporu záťaže 7 a 5 Ω. Medznému prúdu zodpovedá hodnota 5 Ω, pre vyššie hodnoty (oblasť a) bude stratový výkon určený hyperbolou a, pre menšie hodnoty záťaže sa bude meniť podľa priamky b. Pri vstupnom napätí 10 V má rovnica len jedno riešenie. Pri ďalšom zmenšovaní vstupného napätia bude oblasť a končiť prvím priesečníkom.

Oblasť konštantného stratového výkonu.

Pri obmedzení prúdu a znižovaní záťaže klesá výstupné napätie, zvyšuje sa úbytok na stabilizátore a stratový výkon stúpá. Pri dosiahnutí maximálnej teploty systému (čipu) zníži vstavaná tepelná ochrana výstupný prúd tak, aby sa obvod nezničil. Do stabilizátora sa dodává práve len taký výkon, ktorý chladič odvedie pri danom rozdiele teplôt:

P_m = (ϑj - ϑa) / Rϑ

V grafe je táto oblasť charakterizovaná vodorovnou priamkou c. Priesečník s b je:

Výstupný prúd pri skrate (po ustálení teplôt):

I_mk = P_m / U1 = 9 / 12 = 0,75 A

Bezprostredne po skrate dodá stabilizátor prúd 1 A, systém vo vnútri púzdra sa rýchlo zahreje a prúd poklesne na hodnotu, danú vnútorným tepelným odporom a okamžitou teplotou chladiča. Postupne sa zvyšuje tak isto teplota chladiča a prúd sa ustáli na vypočítenej hodnote.

Závislosť stratového výkonu na záťaži a Výstupná charakteristika zdroja

Výstupná charakteristika zdroja s obmezením prúdu a výkonu

Pre stabilizátor s uvedenými typmi ochrán bude mať zaťažovacia charakteristika tak isto tri časti. V normálnej pracovnej oblasti a udržuje stabilizátor konštantné napätie a chová sa ako ideálny zdroj napätia. V oblasti b udržuje konštantný prúd (ideálny zdroj prúdu) a podľa odporu záťaže výstupné napätie klesá. Pri prekročení prípustného výkonu, napr. pri trvalej záťaži 1 Ω, výstupný prúd poklesne a ustáli sa na hodnote 0,8 A. Zmerená výstupná charakteristika sa bude od týchto priebehov trocha líšiť

Stabilizátor zo spätným zakrivením výstupnej charakteristiky (foldback)

Tepelná ochrana pracuje v integrovaných obvodech spolehlivo. Pokiaľ je zapojenie zostavené z diskrétnych súčástok, je odozva snímača teploty značne oneskorená a nie je možné dosiahnúť optimálneho účinku. V takýchto prípadoch je možné použiť zapojenie zo spätným zakrivením výstupnej charakteristiky, ktoré znižuje maximálny prúd v závislosti na výstupnom napätí. V tomto prípade nejde o piame stráženie teploty čipu, preto je potrebné ponechať dostatočne bezpečnú vzdialenosť od mezních hodnôt. Prevedieme porovnanie s predchádzajúcim integrovaným stabilizátorom. Rozhodneme, že spätné zakrivenie bude prebiehať podľa priamky d. Pre jednoduchosť budeme uvažovať s rovnakým tepelným odporom výkonového tranzistora a teda aj s rovnakou medznou krivkou. Návrh obmedzenia prúdu zo spätným zakrivením je možné vysvetliť na jednoduchom stabilizátore. Pokiaľ by v zapojení nebol použitý delič R_f +R_g, obmedzoval by tranzistor T3 výstupný prúd na konštantnú hodnotu, ktorá sa počíta zo známeho vzťahu:

I_m = U_BE / R_o

V deliči bude hodnota R_g značne väčšia než R_f, preto môžeme použiť zjednodušené vzťahy. Pri skrate je na výstupe nulové napätie. Na báze T3 bude približne rovnaké, ako je úbytok na R_o. Chceme dosiahnúť, aby obmedzený prúd pri skrate bol 0,6A. Hodnota R_o sa vypočíta:

R_o = U_BE / I_mk = 0,6 / 0,6 = 1 Ω

Z priamky d vychádza, že rii výstupnom napätí 5 V by mal byť výstupný prúd 1,1 A. Tomu zodpovedá úbytok 1,1 V na R_o. Aby sa pri tejto hodnote tranzistor T3 otváral, potrebujeme na R_f úbytok 0,5 V. Zvolíme R_g = 5,6 kΩ. Protože je na ňom 5,6 V, preteká ním práve 1 mA. Ak zanedbáme prúd bázy T3, vychádza hodnota R_f = 500 Ω. Zvolíme hodnotu 470 Ω. Tranzistor sa otevára postupne, proto výsledná charakteristika nebude ostrá, ale bude probiehať zhruba podľa zakreslenej krivky. V konečnom návrhu je nutné počítať s prúdy všetkých tranzistorov. Podobné obvody sa používajú takisto pri výkonových nízkofrekvenčních zesilňovačoch. Obmedzenie skratového prúdu sa musí počítať zo stratového výkonu zesilňovača.

Ďalší diel : Podrobnejšie súvahy o chladení