Post on 02-Jan-2016
Capitolul II
Stabilizator de tensiune liniare
2.1 Generalităţi:
Definiţii:
Un sistem electronic supus acţiunii unui ansamblu de semnale de intrare furnizează la
ieşire o serie de semnale cu caracteristici electrice variabile în timp.
Menţinerea invariantă în timp a caracteristicilor electrice ale unui semnal la ieşirea unui
sistem, în condiţii de variaţie în domenii specificate a semnalelor de intrare se asigură printr-un
proces de stabilizare a semnalului respectiv.
Aparatul sau dispozitivul electronic care realizează funcţia de stabilizare a parametrilor
unui semnal poartă numele de stabilizator.
În funcţie de tipul mărimii fizice care caracterizează semnalul de intrare, stabilizatoarele
pot fi de tensiune (continuă sau alternativă), de curent, de frecvenţă, de intensitate luminoasă etc.
Lucrarea de faţă tratează în exclusivitate stabilizatoarele de tensiune continuă.
Un stabilizator de tensiune continuă este un cuadripol, care menţine tensiunea de ieşire în
limite foarte strânse (teoretic constantă), indiferent de variaţia tensiunii de intrare, a curentului
prin sarcină, sau a temperaturii mediului ambiant, în domenii specificate prin standard sau norme
tehnice.
Stabilizatoarele de tensiune continuă fac parte din structura surselor de alimentare alături
de transformator, de blocul redresor şi de blocul de filtraj. Construcţia lor se poate realiza în
două moduri:
a) Una din cele mai simple metode se bazează pe capacitatea unor componente
electronice (diode Zener, tuburi cu descărcare în gaz etc.) de a menţine într-un domeniu dat
(domeniu de stabilizare) tensiunea constantă la bornele lor. Performanţele de stabilizare a
tensiunii de ieşire, asigurate de un stabilizator bazat pe acest principiu, sunt strict
determinate de caracteristica tensiune-curent a componentei folosite.
b) O altă metodă de construcţie a stabilizatoarelor de tensiune continuă constă în
utilizarea unei scheme electrice de amplificator cu reacţie (fig.2.1). În acest caz tensiunea
de ieşire se menţine constantă printr-un proces de reglare automată care se desfăşoară în
două faze:
1
- Tensiunea de ieşire, V0, sau o fracţiune din ea, kV0 (mărime de reglat), se compară cu o
tensiune de referinţă, VREF (mărime de referinţă), rezultând un semnal de eroare ε = VREF –
kV0.
- Semnalul de eroare, ε, amplificat, comandă elementul regulator (element de execuţie)
pentru a restabili tensiunea de ieşire la valoarea prescrisă, V0.
În literatura de specialitate, stabilizatoarele de tensiune continuă cu reacţie se întâlnesc şi
sub denumirea de regulatoare de tensiune continuă. Termenul provine din teoria sistemelor de
reglare automată.
Element regulator
Amplificator R1
VI Comparator Aε V0
ε A
VREF kV0 R2
Fig.2.1 Schema de funcţionare a unui stabilizator de tensiune cu reacţie
Regulatorul este un dispozitiv al unui sistem de reglare automată, care primeşte la intrare
semnalul emis de elementul de comparaţie şi transmite la ieşire mărimea de comandă a
elementului de execuţie, care efectuează operaţia impusă.
De menţionat că între regulator şi stabilizator există o diferenţă ca de la parte la întreg, în
sensul că regulatorul este un element component al stabilizatorului.
Totuşi, o bună parte din specialişti fac abstracţie de această deosebire şi folosesc termenii
de stabilizator şi regulator de tensiune continuă ca sinonime.
În lucrare se utilizează termenul de stabilizator de tensiune, cel de regulator fiind rezervat
denumirii unei parţi componente a primului, în general a tranzistorului regulator serie.
2.2 Rolul stabilizatorului de tensiune în aparatura electronică
Reţeaua de distribuţie de curent alternativ constituie sursa principală de energie electrică
pentru alimentarea montajelor electronice.
Redresoarele realizează conversia energiei de curent alternativ, furnizată de reţea în
energie de curent continuu solicitată de consumatori. Exceptând consumurile pe care le reclamă
2
instalaţiile de putere, sursele de tensiune de curent continuu utilizate la alimentarea aparaturii
electronice sunt de puteri relativ mici. Aşa de pildă majoritatea schemelor cu tranzistoare
necesită fie tensiuni pozitive, fie tensiuni negative de ordinul a ±24V şi curenţi de până la
5A...10A. Schemele echipate cu amplificatoare operaţionale reclamă surse de polaritate dublă,
valorile cele mai frecvente ale tensiunii de alimentare fiind ±12V; ±15V. În montajele cu circuite
logice de tip TTL tensiunea de alimentare este +5V, iar consumul de curent electric atinge câţiva
amperi, în funcţie de complexitatea schemei.
Variaţiile relativ mari ale tensiunii reţelei se transmit şi se resimt şi în tensiunea obţinută
la ieşirea redresorului. Pentru a garanta funcţionarea normală a unui aparat electronic se impune
ca variaţia tensiunii sursei de alimentare să nu depăşească anumite limite, dependente de
performanţele aparatului.
Stabilizatoarele sunt circuite electronice, care se conectează între sursa de alimentare şi
consumator, având rolul de a menţine constante tensiunea sau curentul consumatorului în raport
cu variaţiile tensiunii sursei, ale rezistenţei sarcinii, ale temperaturii ambiante şi ale altor factori
perturbatori.
În principiu, stabilizarea unei tensiuni continue se poate asigura fie “înainte” de redresor,
menţinând continuă tensiunea alternativă de alimentare, fie “după” redresor, intercalând între
acesta şi sarcină un element capabil sa preia variaţiile de tensiune.
Dacă prima variantă stabilizează numai variaţiile tensiunii de reţea, cea de a doua
prezintă avantajul că menţine constantă tensiunea pe sarcină indiferent de cauzele care tind să o
modifice. Stabilizatoarele din a doua categorie sunt preferate şi au căpătat o largă răspândire
practică. Deşi acestea pot fi realizate cu componente discrete, în prezent se fabrică, cu
predilecţie, sub formă de circuite integrate ceea ce favorizează tipizarea lor. Tendinţă de tipizare
a căpătat o amploare tot mai largă în ultimul timp, facilitând în mai mare măsură alegerea
stabilizatoarelor de tensiune în concordanţă cu specificul aplicaţiei.
Industria românească de componente electronice produce, la IPRS-Băneasa şi ICCE-
Bucureşti, o gamă largă de stabilizatoare de tensiune sub formă de circuite integrate monolitice:
(a) La IPRS –Băneasa
TAA 550 – Stabilizator de tensiune fixă
βA 723 – Stabilizator de tensiune pozitivă
(b) La ICCE –Bucureşti
ROB 723 – Stabilizator de tensiune pozitivă
ROB 323 – Stabilizator de tensiune fixă 5V/3A
2.3 Principii de funcţionare
3
În procesul de stabilizare a unei tensiuni se utilizează doua tehnici principale: stabilizarea
serie şi stabilizarea paralel.
Stabilizarea serie (fig.2.2a) constă în plasarea elementului regulator în serie cu rezistenţa
de sarcină Rs. În acest caz, elementul regulator se comportă ca o rezistenţă variabilă a cărei
mărime este controlată de tensiunea de ieşire V0 prin bornele 2-3; când tensiunea de intrare vI
creşte, tensiunea V0 de ieşire tinde să urmărească această creştere şi acţionează asupra
elementului regulator, care îşi măreşte rezistenţa între bornele 1-2. Evident, în acest mod
creşterea tensiunii la intrare va fi compensată de căderea de tensiune ce se înregistrează între
bornele 1-2 şi ca atare, tensiunea la ieşire va reveni la valoarea anterioară. Odată cu căderea
tensiunii la intrare, rezistenţa între bornele 1-2 îşi micşorează valoarea astfel încât tensiunea la
ieşire să rămână de asemenea neschimbată. Simbolul de rezistor variabil marcat pe schema bloc
din fig.2.2a pune în evidenţă faptul că elementul regulator serie funcţionează ca un rezistor
variabil în serie cu sarcina ajustându-şi mărimea rezistenţei în scopul menţinerii constante a
tensiunii la ieşire.
Stabilizarea paralel, constă în plasarea elementului regulator în paralel cu sarcina
fig.2.2b. Elementul regulator în acest caz este un dispozitiv cu o rezistenţă dinamică foarte mică
în zona de lucru, ceea ce permite ca variaţiile curentului care îl străbate să nu producă schimbări
neînsemnate ale tensiunii la bornele lui.
Element regulator serie1 2
VI 3 RS V0 a) cu element regulator serie
R
VI RS V0 b) cu element regulator paralel
4
Tensiune de intrare nestabilizată
Tensiune de ieşire stabilizată
Tensiune de intrare nestabilizată Tensiune de
ieşire stabilizată
Fig.2.2 Schema de principiu a unui stabilizator de tensiune
Mecanismul procesului de stabilizare este următorul: odată cu creşterea tensiunii v1la
intrare, creşte şi curentul de intrare i1. Elementul regulator, având rezistenţa de sarcină Rs, va
prelua întreaga variaţie a curentului de intrare.
Rezistenţa R (de balast) contribuie la realizarea stabilizării preluând variaţiile tensiunii de
la intrare; în acest mod creşterea tensiunii v1 va fi compensată de căderea suplimentară de
tensiune pe ceastă rezistenţă. Dacă tensiune de ieşire va scădea, căderea de tensiune pe rezistenţa
R se va micşora cu aceeaşi valoare. Concomitent cu aceasta, rezistenţa R mai îndeplineşte şi
rolul de a reduce la o valoare acceptabilă curentul care trece prin elementul regulator în situaţii
limită.
Efectul de stabilizare se manifestă şi în cazul în care variază rezistenţa de sarcină, iar
tensiunea la intrare v1 rămâne constantă. În acest caz, căderea de tensiune vR pe rezistenţa R,
rămâne practic neschimbată, deoarece creşterea curentului de sarcină se obţine pe seama scăderii
curentului prin elementul regulator şi invers. Modificarea valorilor celor doi curenţi se produce
astfel încât curentul prin rezistenţa R rămâne constant. Cum V0 = v1–vR, rezultă că tensiune pe
sarcină rămâne constantă. Şi în acest caz elementul regulator lucrează ca un rezistor variabil, aşa
cum s-a simbolizat în fig.2.2b.
Cele două metode de stabilizare a tensiunii prezintă atât avantaje cât şi dezavantaje.
Stabilizarea paralel se bucură de avantajul unei construcţii mai simple. Dacă accidental,
ieşirea “stabilizatorului paralel” se pune în scurtcircuit la masă, aceasta nu suferă stricăciuni
deoarece la bornele lui tensiunea va fi nulă; dacă în aceste condiţii sursa de alimentare poate
furniza fără pericol de distrugere curentul v1/R şi rezistenţa R poate disipa puterea
corespunzătoare acestui curent, elementele componente al stabilizatorului de se defectează.
Stabilizarea serie a tensiunii, deşi conduce la scheme mai complexe, asigură un reglaj mai
bun. Acest tip de reglare, comparativ cu stabilizarea paralel, are un randament mai mare, în
special în special în cazul curenţilor mici de sarcină. Puterea în scurtcircuit la masă a ieşirii
“stabilizatorului serie” poate conduce la distrugerea elementului regulator. Pentru evitarea
efectelor unui scurtcircuit stabilizatoarele de acest tip sunt prevăzute cu circuite speciale de
protecţie, care sunt fie limitatoare de curent (limitează intensitatea curentului prin sarcină la o
valoare prereglată), fie circuite care deconectează alimentarea, îndată ce a fost depăşită o
anumită intensitate a curentului prin sarcină.
5
2.4 Schema bloc a unui stabilizator de tensiune cu reacţie
Tehnologia actuală oferă o multitudine de posibilităţi de realizare a unui stabilizator de
tensiune cu reacţie. Această diversitate rezidă în posibilitatea fabricării, atât cu componente
discrete (diode, tranzistoare, amplificatoare operaţionale), cât şi în varianta (cu circuite hibride
sau monolitice specializate). Principiile pe care se fundamentează construcţia unui stabilizator de
tensiune constau în folosirea reglării automate şi în protecţia faţă de suprasolicitări.
Deci schema electrică a stabilizatorului de tensiune trebuie să asigure o serie de condiţii
care se vor detalia urmărind schema bloc prezentată în figura 2.3, această schemă fiind compusă
din următoarele elemente:
- Sursă de referinţă, REF, furnizează tensiune de referinţă VREF caracterizată printr-o
mare stabilitate în timp şi la variaţia tensiunii de intrare şi a temperaturii, precum şi printr-
un nivel de zgomot redus;
- Amplificatorul de eroare, A1, compară tensiune de referinţă cu o parte sau cu întreaga
tensiune de ieşire, pentru a acţiona asupra elementului regulator ER. Amplificatorul de
eroare se construieşte pe structura amplificatoarelor operaţionale sau se realizează cu
tranzistoare;
- Elementul regulator, ER, cu funcţiile: menţine tensiune de ieşire la nivelul specificat
sub controlul amplificatorului de eroare, furnizează curentul la ieşire, reduce sau blochează
curentul la ieşire la acţionarea circuitului de protecţie, micşorează rezistenţa serie a
stabilizatorului;
- Circuite de protecţie imunizează stabilizatorul la: creşterea tensiunii peste o anumită
limită, la depăşirea unei temperaturi limită suportată de elementul regulator, precum şi la
atingerea puterii limită disipată pe tranzistorul serie.
u
ER r
Figura + A1 A2 R1 +
2.3 VI REF _ V0
_ VREF ε =Vref – kV0 kV0 R2
Schema bloc a unui stabilizator de tensiune cu reacţie cu element regulator serie
6
2.5 Stabilizatoare de tensiune integrate monolitice
În sistemele de alimentare în curent continuu, impedanţa asociată conectoarelor şi firelor
de legătură poate provoca în timpul funcţionării căderi de tensiune supărătoare. De asemenea
impedanţa liniei comune dintre modulele implantate cu componente electronice, poate produce
cuplaje parazite nedorite. Utilizarea unor condensatoare de filtrare de valori mari nu elimină
complet variaţiile locale de tensiune de alimentare şi în plus contribuie la mărirea dimensiunilor
aparatelor electronice datorită creşterii gabaritului surselor de alimentare. Pornind de la aceste
neajunsuri, a apărut necesitatea unor stabilizatoare de dimensiuni cât mai mici de tipul
circuitului integrat hibrid şi monolitic care să se poată monta pe placa de cablaj imprimat, pentru
alimentarea locală a subansamblului respectiv.
Progresele înregistrate în ultimul deceniu de dezvoltarea electronicii au marcat o evoluţie
spectaculoasă a domeniului stabilizatoarelor de tensiune continuă monolitice. Această evoluţie a
fost impulsionată şi de:
- creşterea performanţelor stabilizatoarelor electronice;
- necesitatea simplificării execuţiei surselor de alimentare de tensiune continuă;
- optimizarea raportului cost / performanţă.
Comparativ cu alte clase de circuite integrate liniare, apariţia stabilizatoarelor de tensiune
continuă s-a produs mai târziu (1967), în momentul în care tehnologia bipolară standard a permis
integrarea unui spectru mai larg de componente. Începuturile integrării în acest domeniu au fost
marcate de ideea adoptării unor scheme electrice cu grad ridicat de versatilitate, idee ce s-a
concretizat în realizarea stabilizatoarelor de uz general de curent mic, μA723 şi LM 100
încapsulate în capsule clasice de circuite integrate (TO-100, TO-99, TO-116). Curentul de ieşire
al unui stabilizator poate ajunge de ordinul amperilor, ceea ce implică utilizarea unor capsule de
putere; preţul prohibitiv al capsulelor de putere cu mai multe terminale a determinat orientarea
fabricanţilor spre capsule mai ieftine, de tipul celor folosite la fabricaţia tranzistoarelor de putere
(TO-3, TO-220). Numărul maxim de trei terminale disponibile pe aceste capsule a impus
integrarea sistemelor de protecţie pe acelaşi “cip” cu circuitul de stabilizare. Curentul de ieşire a
crescut la 1,5 A în anul 1971 (LM 109), la 3 A în anul 1975 (LM 123) şi la 10 A în anul 1981
(LM 196).
Proliferarea aplicaţiilor circuitelor integrate liniare se alimentează de obicei de la două
surse de tensiune continuă, a atras după sine apariţia în anul 1972 a stabilizatoarelor duale.
Aceste tipuri furnizează la ieşire două nivele de tensiune simetrice (MC 1468; SG 1501) sau
nesimetrice (LM 127) şi curenţi de cca 100 mA.
7
Funcţionarea elementului regulator serie în regim continuu face ca eficienţa de putere să
fie de sub 50%. Schemele electrice cu funcţionare în regim de comutaţie permit creşterea
eficienţei la 70-80%; preţul suplimentar plătit pentru această creştere de randament constă în
mărirea complexităţii schemelor electrice ale stabilizatoarelor respective. Dificultăţile legate de
integrarea unor astfel de scheme au întârziat realizarea în varianta monolitică a unor circuite
specializate de comandă şi control pentru construcţia surselor de tensiune cu funcţionarea în
regim de comutaţie. Evoluţia tehnologiilor de integrare pe scară largă, a făcut posibilă în anul
1976 elaborarea primelor stabilizatoare de comutaţie monolitice TL 497).
Parametrii electrici
Parametrii unui stabilizator de tensiune continuă se clasifică în două categorii:
- valori limită absolută;
- caracteristici electrice.
Valorile limită absolută, care descriu încărcarea maximă a stabilizatorului, reprezintă
parametrii prin a căror respectare se garantează funcţionarea stabilizatorului în conformitate cu
specificaţiile caracteristicilor electrice. Atingerea sau depăşirea lor conduce, de obicei, la
determinarea ireversibilă a stabilizatorului. Valorile limită absolută indicate de obicei a
fabricanţii de circuite integrate stabilizatoare de tensiune sunt următoarele:
- tensiune maximă de intrare, V1Max;
- putere disipată, PdMax;
- domeniul temperaturii ambiante de funcţionare, TAMax, TAmin;
Caracteristicile electrice descriu funcţionarea propriu-zisă a stabilizatorului; ele se referă
la:
a) limitele de intrare şi de ieşire:
- tensiunea de intrare v1;
- tensiunea de ieşire, V0;
- diferenţa de tensiune intrare-ieşire (v1-V0;
- curentul de vârf la ieşire, IOM;
- curentul de ieşire în scurtcircuit, ISC;
- curentul consumat în gol, IG.
b) precizia cu care se controlează nivelul tensiunii la ieşire în domeniul variaţiei, la
acţiunea unor factori perturbatori variabili (tensiunea de intrare, curentul de ieşire,
temperatura ambiantă etc.); în această categorie se includ:
8
- stabilizarea de intrare (linie), KV – reprezintă variaţia procentuală a tensiunii de ieşire
pentru o variaţie specificată a tensiunii de intrare, în condiţiile menţinerii constante a
curentului de ieşire şi a temperaturii mediului ambiant:
KV = , unde:
∆v1 = specificat;
I0, T constante.
- stabilizarea de sarcină, KL reprezintă variaţia procentuală a tensiunii de ieşire pentru o
variaţie specificată a curentului de ieşire în condiţiile menţinerii constante a tensiunii de intrare şi
a temperaturii mediului ambiant:
KL = , unde:
∆I0 = specificat;
v1, T constante.
- coeficientul de temperatură al tensiunii de ieşire, KT – reprezintă raportul dintre variaţia
tensiunii de ieşire măsurate la extremităţile domeniului temperaturii ambiante de funcţionare
şi mărimea acestui domeniu, exprimat procentual faţă de valoarea tensiunii de ieşire
măsurate la TA = 250 C. În condiţiile menţinerii constante a tensiunii de intrare şi a curentului
de ieşire:
- stabilitatea pe termen lung, LTS – reprezintă variaţia procentuală a tensiunii de ieşire,
măsurată după 1000 ore de funcţionare în condiţii de viaţă accelerată (tensiune de intrare şi
putere disipată maxime):
LTS = ∆V0/V0, unde:
T = 1000 ore
V1, Pd = Max.
Dacă prin construcţia stabilizatorului, utilizatorului nu i se permite ajustarea tensiunii la
ieşire, în definirea parametrilor de mai sus se renunţă la normarea prin V0; în acest caz parametrii
menţionaţi devin:
- stabilizarea de intrare:
k’v = ∆V0, unde ∆vi = specificat, I0, t constante
- stabilizarea de sarcină:
k’L = ∆V0, unde ∆I0 = specificat, vi, t constante.
- coeficientul de temperatură al tensiunii de ieşire:
9
- rejecţia tensiunii de ondulaţie (pulsaţie). RR – reprezintă raportul exprimat de decibeli
(dB) dintre valorile de vârf ale tensiunii de ondulaţie măsurate la intrare (Vir), respectiv la ieşire
(Vor), pentru o frecvenţă specificată:
RR = 20 lgVir/Vor [dB]
- tensiunea de zgomot la ieşire, Vn reprezintă valoarea eficace a tensiunii de zgomot
măsurată la ieşirea stabilizatorului, într-o bandă de frecvenţă specificată, în condiţiile menţinerii
tensiunii de intrare şi a curentului de ieşire la valori constante şi a absenţei tensiunii de ondulaţie.
La acţiunea simultană a tuturor factorilor perturbatori, variaţia tensiunii de ieşire se poate
aproxima prin relaţia:
Unde t este timpul măsurat din momentul punerii în funcţiune a stabilizatorului .
Parametrii electrici enumeraţi sunt comuni pentru majoritate a stabilizatoarelor de
tensiune continuă. În funcţie de particularităţile fiecărei familii de stabilizatoare se mai pot
utiliza şi alţi parametri. Vom prezenta definiţiile parametrilor respectivi în capitole consacrate
acestor familii. O comparaţie între două tipuri de stabilizatoare, din punctul de vedere al
performanţelor, se poate face calculând:
- variaţia tensiunii de ieşire, ∆V0, sub influenţa tuturor perturbaţiilor menţionate anterior;
- eficienţa transferului de putere în regim normal de funcţionare, exprimat prin puterea
furnizată la ieşire, P0 şi puterea aplicată la intrare, P1, care reprezintă randamentul
stabilizatorului de tensiune:
η = P0/Pr. 100.
2.6 Clasificarea stabilizatoarelor de tensiune
În cele ce urmează vom prezenta o clasificare a stabilizatoarelor de tensiune continuă,
insistând în primul rând asupra stabilizatoarelor integrate monolitice.
În funcţie de modul de acţionare a elementului regulator distingem:
- stabilizatoare cu acţiune continuă, (stabilizatoare liniare) la care elementul regulator
funcţionează continuu;
- stabilizatoare cu acţiune discontinuă (stabilizatoare în comutaţie), la care elementul
regulator funcţionează în regim de comutaţie, încărcând un element acumulator de energie
pe durata când încărcarea condensatorului întreruptă.
10
În funcţie de modul de conectare a elementului regulator a elementului regulator în raport
cu sarcina, stabilizatoarele de tensiune se împart în:
- stabilizatoare tip serie;
- stabilizatoare tip paralel.
În raport cu metoda de stabilizare există două tipuri principale de stabilizatoare:
- stabilizatoare în buclă deschisă (parametrice);
- stabilizatoare în buclă închisă (cu reacţie).
După posibilitatea de ajustare a nivelului tensiunii de ieşire oferită utilizatorului,
stabilizatoarele se clasifică în:
- Stabilizatoare de uz general (de tensiune variabilă) – care permit ajustarea tensiunii de
ieşire într-un domeniu specificat.
- Stabilizatoare de tensiune fixă – care furnizează la ieşire un singur nivel de tensiune cu o
precizie specificată.
În funcţie de numărul ieşirilor pe care se asigură simultan tensiuni stabilizate, se împart
în:
- Stabilizatoare cu o singură ieşire,
- Stabilizatoare cu două ieşiri.
Polaritatea tensiunii de ieşire permite clasificare în:
- Stabilizatoare de tensiune pozitivă,
- Stabilizatoare de tensiune negativă.
În funcţie de puterea disipată maxim admisă se disting următoarele tipuri de
stabilizatoare:
- Stabilizatoare de putere mică, PDMax1 W
- Stabilizatoare de medie putere, 1 W <PDMax15 W,
- Stabilizatoare de mare putere, PDMax>15 W.
La stabilizatoarele de tensiune fixă precizia de menţinere a tensiunii la ieşire permite
clasificare în:
- Stabilizatoare uzuale, la care nivelul tensiunii de ieşire se garantează cu o precizie de
2...5% şi un coeficient de temperatură de ordinul sutelor de ppm/C,
- Stabilizatoare de precizie (referinţe de tensiune), al căror nivel de tensiune de ieşire de
garantează cu o precizie mai mare de 2,5% şi un coeficient de temperatură sub 1 ppm/C; la
rândul lor acestea vor fi clasificate în:
- Stabilizatoare de precizie medie (0,5...2,5%),
- Stabilizatoare de precizie ridicată (0,1...0,5%),
- Stabilizatoare de înaltă precizie (sub 0,1%).
11
Un criteriu de tip comercial oferă o clasificare după terminalelor capsulei; se disting:
- Stabilizatoare cu trei terminale,
- Stabilizatoare cu patru terminale,
- Stabilizatoare cu mai multe terminale.
2.7 Stabilizatoare de tensiune cu componente discrete
În practică se întâlnesc situaţii în care este preferabil să se realizeze alimentatoare
stabilizate cu componente discrete. Acestea se folosesc în special pentru tensiuni şi curenţi mari.
Stabilizatoare liniareAceastă categorie de stabilizatoare de tensiune controlează şi reglează în mod continuu
nivelul de ieşire. Elementul regulator serie (de obicei tranzistoare bipolare de putere)
funcţionează liniar; aceste stabilizatoare sunt, cel puţin într-o primă aproximaţie, circuite
electronice liniare.
Cum s-a arătat anterior, stabilizatoarele liniare pot fi parametrice sau cu reacţie.
Stabilizatoare parametrice simple
Stabilizatorul de tensiune de acest tip reprezintă un dispozitiv electronic destinat să
menţină cât mai constantă tensiunea la bornele unei sarcini pe baza caracteristicii sale tensiune-
curent, fără să se recurgă la circuite suplimentare de reacţie.
Aceste dispozitive se utilizează la toate cazurile în care este necesar să se alimenteze o
sarcină cu o tensiune relativ constantă (în limitele 1….2%, când tensiunea de alimentare şi/sau
curentul prin sarcină variază în proporţii mult mai mari).
Ca element regulator în aceste stabilizatoare se utilizează diodele Zener şi tuburile cu
descărcare în gaz de tip stabilivolt precum şi unele rezistoare cu caracteristica aşa-numită
neliniară. Actualmente răspândirea cea mai largă o au stabilizatoarele cu diode Zener, care vor fi
examinate în continuare.
Dioda Zener cu sursă de tensiune constantă.
La dioda Zener, caracteristica de conducţie în polarizare directă (sursa de alimentare cu
plusul pe anod şi cu minusul pe catod) este similară cu caracteristica oricărei diode redresoare.
Aplicând însă plusul pe catod şi minusul pe anod şi crescând lent tensiunea, la un moment dat –
caracteristic pentru fiecare diodă Zener – curentul creste brusc; dioda pare că intră în
străpungere. Apare conducţia inversă în avalanşă şi curentul creşte abrupt. Conducţia în avalanşă
se datoreşte desprinderii electronilor din reţeaua cristalină la câmpuri electrice mari şi/sau
datorită ciocnirii electronilor cu energie mare (electroni rapizi) care produc ionizarea prin şoc
12
când în avalanşă purtătorii de sarcină se înmulţesc extraordinar. În fig. 2.1. este prezentată
caracteristica unei diode Zener de 6V.
Curentul trebuie limitat cu o rezistentă serie R deoarece în caz contrar joncţiunea se
topeşte prin încălzire excesivă. Se fabrică diode Zener pentru tensiuni cuprinse între cca. 3 V şi
200 V. şi puteri de disipaţie de ordinul a 0,250 W până la peste 50 W.
Din figură se observă că în jurul tensiunii Zener, este suficientă o variaţie foarte mică a
tensiunii pentru a se provoca o variaţie extrem de mare a curentului, ceea ce permite să se
definească o caracteristică importantă a diodei Zener şi anume rezistenţa ei diferenţială* Rzr;
aceasta reprezintă raportul dintre o variaţie foarte mică VZ a tensiunii de referinţă şi variaţia
corespunzătoare IZ a curentului invers
RZT = VZ/IZ
Valoarea medie a rezistenţei dinamice se situează în mod uzual între câţiva ohmi şi
câteva zeci (sute) de ohmi în funcţie de puterea diodei şi de mărimea tensiunii Zener (de
exemplu 1...2 Ω pentru diode Zener cu tensiuni cuprinse între 6...7 V sau 300... 400 Ω la 100 V
sau 1000...1500 Ω la 200 V). Diodele Zener cu tensiunea de cot situată în intervalul 7...9 V au
rezistenţa dinamică cea mai mică şi ca atare, prezintă cele mai bune caracteristici de stabilizare.
Funcţionarea unei diode Zener poate fi influenţată sau chiar compromisă prin încălzire
excesivă, încălzire care poate fi provocată fie printr-un curent electric prea intens care trece prin
diodă, fie prin temperatura ambiantă prea ridicată, fie prin influenţa lor simultană.
Diodele Zener au un coeficient de temperatură important: tensiunea Zener variază cu
temperatura joncţiunii (Tj), această dependenţă fiind ilustrată în tabelul 2.1 din care se remarcă
faptul că pentru diodele Zener de 5 V coeficientul de temperatură este aproape nul. De aici
rezultă şi necesitatea ca pentru stabilizatoare de tensiune de calitate trebuie să se folosească diode
PL 5V1 Z.
Stabilizatoare de tensiune cu diode Zener
În figura 2.4 se prezintă schema de principiu a celui mai simplu stabilizator de tensiune
cu diodă Zener, în care dioda este conectată în paralel cu rezistenţa de sarcină Rs. Curentul prin
rezistenţa de balast R1 este egal cu suma dintre curentul prin sarcină şi curentul pin dioda
stabilizatoare.
Efectul de stabilizare se explică astfel: crescând progresiv tensiunea V1 la intrarea
stabilizatorului până la tensiunea de stabilizare Vz, curentul prin diodă este aproape nul (Iz=0),
dioda Zener este blocată iar tensiunea la ieşire V0 este proporţională cu tensiunea de intrare v1.
Peste tensiunea Vzm a diodei Z1 curentul Iz creşte brusc, crescând şi căderea de tensiune la
bornele rezistorului R1, astfel că tensiunea la ieşire V0 va rămâne aproximativ constantă.
13
La micşorarea tensiunii de intrare lucrurile se petrec invers. datorită scăderii pronunţate a
curentului prin dioda Zener, căderea de tensiune pe rezistorul R1 se micşorează, ceea ce face ca
tensiunea pe sarcină să rămână neschimbată.
Pe de lată parte, dacă I0 creşte, datorită micşorării rezistenţei de sarcină Rs, va scădea
puţin şi tensiunea aplicată diodei Zener, ceea ce determină micşorarea pronunţată a curentului
prin aceasta, deci şi a scăderii de tensiune pe R1 şi ca rezultat tensiunea la ieşire V0 va rămâne
neschimbată.
Rezistorul R1 determină curentul Iz la tensiunea maximă posibilă la intrare V1Max iar
rezistenţa de sarcină Rs determină curentul minim prin sarcină Ioms de la care începe stabilizarea.
Coeficientul de stabilizare pentru schema prezentată în fig. 2.4 se determină cu relaţia:
în care tensiunea de intrare variază în limitele:
v1min = V1m şi v1 Max = V1M
Rezistenţa de ieşire (internă), R01 a stabilizatorului este egală cu:
R0 =
Fig.2.4 Stabilizator parametri de tensiune
VZ(V) αVZx10-4/˚C VZ(V) αVZx10-4/˚C
3,3 -6 9,1 +5,1
3,6 -5,5 10 +5,5
3,9 -5 11 +6
4,3 -4 12-13 +6,5
4,7 -2 15-16 +7
5,1 +1 18-20 +7,5
5,6 +2,5 22-24 +8
14
6,2 +3,2 27-36 +8,5
6,8 +4 39-100 +9
7,5 +4,5 100-180 +9,5
8,2 +4,8 200 +10
Dependenţa coeficientului de temperatură VZ a diodei Zener
Este evident că prin creşterea rezistenţei R1 coeficientul de stabilizare se reduce dar, în
acest caz, randamentul montajului se diminuează prin creşterea însemnată a puterii disipate pe
acest rezistor.
În figura 2.5 se prezintă câteva variante ale schemei din fig. 2.4 la montajul din fig. 2.5a,
în care se utilizează conectarea în cascadă a două stabilizatoare de tipul descris anterior, se
recurge numai în cazul în care schema precedentă nu asigură stabilizarea tensiunii de ieşire, V01
cu precizia necesară ∆V0. Evident că în acest caz V2 > Vz2 iar curenţii trebuie să satisfacă şi
condiţia I1>I2>I0. Coeficientul de stabilizare al montajului este egal cu produsul coeficienţilor de
stabilizare al fiecărui etaj.
Dezavantajul principal al stabilizatorului parametric cu mai multe trepte în randamentul
său foarte mic, deoarece reclamă tensiuni de intrare mari în raport cu tensiunea pe sarcină; de
exemplu un stabilizator parametric cu trei trepte, care stabilizează la ieşire o tensiune de 9V
necesită o tensiune de alimentare în jurul a 36V.
Limitele tensiunii stabilizate pot fi extinse (fig. 2.5b), prin conectarea în serie a mai
multor diode Zener, cu condiţia ca toate aceste diode să admită curentul necesar. Este de preferat
ca tensiunile lor să fie apropiate ca valoare. Uneori, prin dispunerea în serie a diodelor Zener
contribuim atât la reducerea influenţei temperaturii, cât şi la micşorarea rezistenţei interne a
stabilizatorului; de exemplu, trei diode PL6V2Z, fiecare cu rezistenţa dinamică de 2 Ω, montate
în serie pentru a furniza o tensiune de 18V prezintă o rezistentă dinamică totală de 6 Ω, faţă de o
diodă PL 18 Z a cărei rezistenţă dinamică este de 15 Ω.
Dacă nu dispunem de o diodă Zener de tensiunea dorită se poate alege o diodă cu
tensiunea Zener mai mare, din care, printr-un divizor, se obţine tensiunea necesară, aşa cum s-a
prezentat în fig. 2.5c. Relevăm totodată, că această metodă prezintă dezavantajul creşterii
rezistenţei de ieşire a stabilizatorului.
Variaţia temperaturii mediului conduce la modificarea tensiunii la ieşirea stabilizatorului,
în funcţie de coeficientul de temperatură al diodei Zener. Pentru reducerea acestui efect pot fi
utilizate o serie de scheme de compensare termică dintre care enumerăm:
- dispunerea în serie a unor diode Zener cu coeficienţi de temperatură de semne contrare;
15
- compensarea diodei Zener prin diode obişnuite cu siliciu;
- folosirea diodelor Zener compensate;
- compensarea prin intermediul unei rezistenţe sensibile la variaţia
temperaturii şi anume cu coeficient de temperatură de semn contrar coeficientului de temperatură
al diodei Zener.
Primul caz, (fig. 2.5b), se bazează pe faptul că dioda Zener de tensiune mică (sub 5V) au
un coeficient de temperatură negativ, în timp ce diodele cu tensiuni peste 5 V au coeficient
pozitiv. Este deci indicat ca atunci când tensiunea stabilizată trebuie să fie afectată mai puţin de
temperatură, să se monteze în serie mai multe diode cu tensiunea Zener în jurul a 6 V, într-un
număr suficient pentru obţinerea tensiunii stabilizate dorite. Inconvenientul acestei metode
constă în necesitatea selectării laborioase a unui mare număr de diode Zener pentru micşorarea
sau chiar anularea coeficientului global de temperatură.
Cel de-al doilea caz (fig. 2.5d), se bazează pe considerentul că o diodă din siliciu
polarizată în direct are coeficientul de temperatură negativ, valoarea sa fiind în general în jurul a
– 1,5 mV/C, la un curent de cca. 10 m/A. Pornind de la acest fapt există posibilitatea ca, prin
utilizarea uneia sau a mai multor diode cu siliciu polarizate în direct, să se compenseze
coeficientul de temperatură pozitiv al unei diode Zener. Inconvenientul acestei metode constă în
aceea că mărimea căderii de tensiune a diodei cu siliciu polarizate în direct este mică (în jurul a
0,65 Vpe diodă) fapt care necesită un număr relativ mare de diode montate în serie pentru a
compensa o diodă Zener obişnuită. De notat şi faptul că nu există nici – contraindicaţie să se
utilizeze indiferent care diodă Zener polarizată în direct ca diodă ci siliciu, ţinând seama că şi în
acest caz căderea de tensiune pe o astfel de diodă se situează tot în jurul a 0,65 V, indiferent de
tensiunea Zener.
Cel de-al treilea caz, se bazează pe faptul că pe piaţă există diode Zener compensate, ele
nefiind altceva decât un ansamblu într-o singură capsulă format dintr-o diodă Zener şi două sau
trei diode cu siliciu polarizate în direct.
Cel de-al patrulea caz, este ilustrat prin schema din figura 2.5c; rezistorul R2 se realizează
din manganină (cu coeficient de temperatură practic nul), iar R3 este un termistor cu coeficient de
temperatură pozitiv sau negativ, în funcţie de semnul coeficientului de temperatură al diodei
Zener. Se impune ca aceste componente să se monteze pe un radiator comun pentru a li se
egaliza temperaturile.
În sfârşit, se menţionează un alt dezavantaj al diodelor Zener şi anume acela care se pune
în evidentă la alimentarea diodei printr-un rezistor serie (rezistorul de balast utilizat în
majoritatea schemelor din figura 2.5); în acest caz, curentul prin dioda Zener poate varia în limite
largi cu tensiunea de intrare, independent de curentul prin sarcină. De aceea, în mod frecvent în
16
practică rezistorul de balast este înlocuit printr-o sursă de curent constant (larg utilizată în
stabilizatoarele de tensiune integrate monolitice) ai cărei parametri nu sunt afectaţi de variaţiile
tensiunii de intrare. Figurile 2.5e,f, prezintă un efect de câmp cu grilă-joncţiune, cu canal n,
conectat de curent constant este constituită din tranzistorul bipolar Q, rezistoarele R 1, R2 şi din
dioda Z1. Tranzistorul şi rezistorul R1 constituie un repetor pe emitor la intrarea căruia se aplică
tensiunea de pe dioda Z1. Deoarece tensiunea pe dioda Z1 nu se modifică semnificativ, la variaţia
tensiunii de intrare, tensiunea pe rezistorul R1 fiind egală cu tensiunea pe această diodă, nu se
modifică. Cum tensiunea pe R1 este constantă şi curentul de emitor deci şi cel de colector al
tranzistorului Q nu se modifică la variaţia tensiunii de intrare, astfel că punctul de funcţionare pe
caracteristica Iz=f(Vz) a diodei Zener Z2 nu se deplasează atunci când tensiunea de intrare variază
în limitele vi min …..viMax. Prin această conectare randamentul stabilizatorului parametric se
îmbunătăţeşte semnificativ.
a
b
17
R1
RS
Z1
Z2V1
Vo
R1
R 2
R3
ZV1
Vo
c
d
e
f
Figura 2.5 Scheme de stabilizatoare de tensiune parametrice
Alegerea diodelor Zener
Pentru ilustrare recurgem la schema de principiu a stabilizatorului de tensiune cu diodă
Zener prezentată în fig. 2.4.
Curentul de sarcină I0 trebuie să fie mic faţă de curentul prin diodă Izr; se alege:
I0 ≤ 4 Izr
18
R1
RS
Z1
V1Vo
D
R1
Q
Z Vo
V1
Q
VoV1
R1
R2
Z2Z1
Dacă tensiunea de alimentare variază între o valoare minimă VImşi o valoare maximă VIM
şi curentul de sarcină de asemenea variază între I0m şi I0M mărimea rezistenţei R1 este dată de :
unde V0 este tensiunea la ieşire egală cu tensiunea Vzr iar Izm este curentul minim de la
care dioda Zener poate asigura o stabilizare rezonabilă.
Cunoscând mărimea lui R1 se determină puterea maximă disipată de diodă, PMax
Dioda Zener ce se alege trebuie să fie capabilă să disipe această putere la temperatura
maximă a mediului în care funcţionează montajul.
Se determină valorile maxime şi minime ale curentului prin dioda Zener:
IZmax =
IZmin=
Protecţia stabilizatoarelor de tensiune
Atât sursele de tensiune stabilizată cât şi cele nestabilizate pot constitui obiectul unor
influenţe dăunătoare exercitate în principal de suprasarcini, scurt-circuite, supra-tensiuni
permanente sau în impulsuri, încălziri anormale etc.
Pentru a li se asigura fiabilitatea, deci pentru a se evita defectările ,,în cascadă”
alimentatoarele stabilizate moderne trebuie să fie prevăzute cu dispozitive de protecţie eficace
destinate protejării lor proprii, cât şi protejării circuitelor pe care acestea le alimentează.
În general o parte din utilizatori sunt tentaţi să se bazeze pe siguranţe fuzibile pentru a-şi
proteja sursele de tensiune stabilizată. După cum vom vedea în continuare aceasta nu asigură în
mod operativ protecţia, deoarece ele au o inerţie mare în funcţionare ceea ce de fapt reclamă
metode de protecţie diferenţiate pentru fiecare din influenţele dăunătoare menţionate mai sus.
Oricare ar fi metoda de protecţie utilizată, aceasta trebuie să fie aleasă de aşa manieră,
încât să nu perturbe funcţionarea stabilizatorului, sau să-i înrăutăţească performanţele.
Suprasarcini posibile
În funcţionarea alimentatoarelor stabilizate pot apărea regimuri de suprasarcini sau de
scurtcircuite, accidentale, care în majoritatea cazurilor conduc la defectarea stabilizatorului.
19
Regimul de supracurent se manifestă în următoarele două situaţii:
- în scurtcircuit, caz în care curentul nu este limitat decât prin rezistenţa internă a sursei şi
prin rezistenţa firelor de conexiune,
- la suprasarcină, când fără să atingă valoarea critică ,, periculoasă” într-un interval scurt
de timp, intensitatea depăşeşte net valoarea sa nominală. Dacă acest regim se manifestă pe o
durată mai mare de timp pot fi defectate unele părţi componente ale circuitului ca de exemplu
componentele semiconductoare, izolaţia conductoarelor (în special bobinajul transformatoarelor)
etc.
Regimul de supratensiune poate apărea în urma unor procese tranzitorii care se produc, în
alimentatorul stabilizat şi anume:
- la scurtcircuitarea la masă a ieşirii stabilizatorului, în acest caz întreaga tensiune de
intrare se aplică elementului regulator;
- la conectarea la reţea a alimentatorului în cazul în care conţine o capacitate pe ieşire;
cazul se reduce la cel precedent;
- la variaţia bruscă a sarcinii; acest regim este mai periculos în cazul circuitelor cu
inductanţe.
Din această scurtă prezentare rezultă că pentru a fi bine protejat, un stabilizator trebuie
să conţină următoarele categorii de dispozitive/circuite de protecţie.
1). Dispozitive cu acţiune rapidă pentru protejare contra scurtcircuitelor; ele trebuie să
acţioneze rapid pentru a se evita distrugerea componentelor stabilizatorului sau a circuitelor de
sarcină. Se face precizarea că aceste dispozitive sau circuite nu trebuie să declanşeze accidental,
de exemplu la apariţia unor supraintensităţi de foarte scurtă durată (în general la punerea sub
tensiune a stabilizatorului). Rolul acestui mijloc de protecţie poate fi îndeplinit de siguranţe
fuzibile rapide sau ultrarapide, de relee de protecţie electromagnetice, sau de mijloace de
protecţie electronice.
2). Dispozitive temporizatoare, care să întrerupă circuitul numai în cazul unei
suprasarcini prelungite. Rolul acestor dispozitive poate fi îndeplinit de siguranţe fuzibile
normale, sau de relee de protecţie termice.
3). Dispozitive de protecţie la supratensiuni.
20
2.8 Scheme bloc de bază ale regulatoarelor de tensiune integrate
Structura majorităţii regulatoarelor integrate este prezentată în fig.2.6. Ea este
asemănătoare cu aceea a stabilizatoarelor cu componente discrete ori cu aceea a stabilizatoarelor
ce utilizează un amplificator operaţional.
Astfel, schema include un element de reglare serie (ERS), un amplificator de eroare
(AE), o sursă de tensiune de referinţă (STR), un divizor de tensiune de ieşire (DE), un circuit de
polarizare, un circuit de pornire şi circuite de protecţie a ERS (cu linie întreruptă s-a trasat
alimentarea amplificatoarelor AE).
Elementul de reglare serie are rolul de a prelua diferenţa de tensiune variabilă dintre
ieşire şi intrare, permiţând astfel menţinerea unei tensiuni V, constante.
El conduce curentul de sarcină de valoare importantă, astfel că pe el se disipă o putere de
care trebuie ţinut cont la dimensionarea stabilizatorului.
Amplificatorul de eroare, împreună cu etajul lui de ieşire format din ERS şi cu divizorul
de ieşire DE reprezintă un amplificator cu reacţie negativă paralel-serie, deci cu amplificare fixă,
impusă de rezistenţele R1, R2. La intrarea acestui amplificator se aplică o tensiune constantă
(stabilă) Vref realizată de STR. datorită amplificării fixe, la ieşire va rezulta tot o tensiune
constantă – V5. De obicei AE este un amplificator diferenţial cu amplificare mare.
Rp Vs Vr ERS intrare ieşire Circuit de pornire circuit de protecţie
R1
Circuit de polarizare DE
AE + -
STR R2
Vref reacţie
Masă(0V) Masă(0V)
21
Figura 2.6. Structura unui regulator integrat uzual
Problema protecţiei ERS este esenţială pentru regulatoarele de tensiune integrate întrucât
ea asigură delimitarea zonei de funcţionare sigură a integratelor. Cele mai multe regulatoare
integrate include un circuit de pornire care are rolul de a asigura stabilirea surselor de curent ale
circuitului de polarizare în stare normală. Astfel, aceste surse intră într-o stare anormală de
funcţionare, în care rămân ,,agăţate”.
Elementele de reglare serie folosite în regulatoarele integrate
În regulatoarele integrate de putere medie-mare actuale se foloseşte drept ERS un
tranzistor compus, de obicei Darlington, în scopul reducerii curentului de comandă a acestuia
corespunzător curentului de ieşire maxim. Dezavantajul principal al unui ERS de tip Darlington
faţă de ERS cu un singur tranzistor este cel al creşterii tensiunii minime necesare pe acesta.
În regulatoarele de curent de ieşire mare (>1A), unde factorul de amplificare în curent β
al tranzistorului compus scade mult, se utilizează alături de acesta un circuit pentru
suplimentarea curentului de intrare al ERS la curenţi mari de ieşire (fig. 2.7), denumit circuit de
compensare a scăderii lui β.
Pentru reducerea curentului minim de ieşire impus de tranzistorul T1 (în urma amplificării
curentului rezidual al tranzistorului T2) se foloseşte rezistenta “de fugă” Rf. Aceasta va devia
curentul rezidual al lui T2, care altfel ar fi amplificat de T1.
intrare
Circuit pentru Fig. 2.7 ERS cu compensarea compensarea scăderii lui β scăderii lui β T2
T1 ERS
RB
Rf RP
ieşire
Când la regulatorul integrat se mai adaugă un tranzistor extern (fig. 2.8.), acesta formează
cu tranzistoarele din integrat un ERS compus din 3 tranzistoare. Se atinge astfel numărul maxim
de tranzistoare din cauza amplificării curentului rezidual al primului tranzistor (T2) şi creşterii
22
curentului minim ce trebuie preluat la ieşire. Rezistenţa de fugă R f, este necesară şi în exteriorul
integratului în acest caz, iar tranzistorul extern nu poate fi el însuşi un Darlington (cum unii ar fi
tentaţi să folosească).
Dezavantajul stabilizatoarelor ce folosesc tranzistor extern ataşat
ca regulator constă în faptul că acesta din urmă trebuie şi el protejat, iar singura protecţie ce se
poate realiza simplu este protecţia la supracurent. Deci, protejarea tranzistorului extern nu este
atunci completă.
intrare Text(npn) ieşire
Rf
T1 Fig.2.8 ERS cu tranzistor extern
T2 Regulator integrat
Când se realizează un stabilizator de tensiune pentru o sarcină al cărei curent nu scade
niciodată sub o valoare Ismin (importantă în raport cu Ismax se poate conecta între intrare şi ieşire un
rezistor de ocolire (fig. 2.9.).
Rezistenţa se va calcula cu relaţia:
unde Viemax reprezintă diferenţa maximă de tensiune între intrare şi ieşire care poate să apară în
cazul cel mai defavorabil din punct de vedere al puterii disipate pe circuitul integrat. În acest caz
rezistorul va prelua curentul Ismin reducându-se puterea disipată maximă pe circuitul integrat cu
cantitatea iemaxIsmin.
Există de asemenea, un ERS cu două tranzistoare în serie şi rezistor de ocolire, mai puţin
cunoscut şi utilizat, lansat de firma Hewlett-Pachard. Tot aici s-a realizat şi posibilitatea de
integrare a acestui tip de ERS în regulatoarele de tensiune ajustabilă cu 3 pini. Fiind vorba de un
ERS foarte util în stabilizatoarele de tensiune şi mai puţin cunoscut, el este prezentat mai detaliat
în cele ce urmează.
R
intrare Regulator ieşire
23
integrat
masă masă
Fig. 2.9. Reducerea puterii disipate pe integrat
Protecţia ERS
O problemă esenţială a regulatoarelor de tensiune integrate o constituie protecţia
elementului de reglare serie. Ea este rezolvată la ultima generaţie de regulatoare şi aduce, pe
lângă simplificările în calculul şi realizarea stabilizatoarelor şi o creştere mare a siguranţei în
funcţionarea acestora. Astfel, regulatoarele de tensiune integrate devin practic indestructibile
dacă nu se depăşeşte tensiunea lor maximă admisă de intrare ori intrare-ieşire şi se respectă
schemele de utilizare date de catalog(care pot include încă unele diode de protecţie).
La stabilizatoarele cu componente discrete se foloseşte de obicei numai o protecţie la
supracurent, realizată prin “limitare simplă de curent”, cu ajutorul unui rezistor Rp înseriat cu
ERS şi a unui tranzistor de protecţie Tp. Când curentul de sarcină creşte, căderea de tensiune pe
Rp se măreşte, joncţiunea emitoare a lui Tp se deschide Şi acesta deturnează o parte din curentul
de bază al tranzistorului de intrare al ERS, nepermiţând astfel creşterea curentului de sarcină I s.
Polarizând Tranzistorul Tp cu ajutorul unui divizor de tensiune de bază se poate realiza o
protecţie la scurtcircuit “cu întoarcere de curent”.
În cazul unui regulator integrat se asigură în plus o protecţie termică (necesară pentru a
nu se depăşi o putere disipată maximă admisă pe circuitul integrat). Această protecţie este
eficientă şi în caz de scurt-circuit pe sarcină. De asemenea, se utilizează şi o protecţie contra
străpungerii secundare a tranzistorului de putere (fig. 2.10).
Rp
ERS
Protecţie la Protecţie supracurent la străpungere
Protecţie Vref Termică AE + -
Fig.2.10 Protecţiile ERS din regulatoarele integrate.
24
Capitolul III
Stabilizatoare de tensiune în comutaţie
3.1 Schema bloc a unui stabilizator de tensiune continuă
în comutaţie
În figura de mai jos sunt prezentate subansamblurile ce intră în componenţa unui
stabilizator în comutaţie.
Tensiunea alternativă a reţelei este redresată, de obicei, printr-o punte redresoare. De
remarcat că între reţeaua de curent alternativ şi stabilizator nu este prevăzut nici un transformator
de separare. Tensiunea redresată este filtrată corespunzător până se asigură nivelul pulsaţiilor
admise de celelalte părţi componente pentru funcţionarea corectă a acestora. Tensiunea continuă
alimentează elementul de comutaţie (de exemplu: tranzistor de putere, tiristor etc.), care la
rândul său este comandat de un semnal rectangular de frecvenţă mare, de obicei este 20 kHz.
Tensiunea de formă dreptunghiulară se aplică unui transformator de putere, în secundarul căruia
se obţine o tensiune de aceeaşi formă ca în circuitul primar cu amplitudine determinată de
raportul de transformare. Transformatorul mai îndeplineşte şi rolul de element izolator între
circuitele conectate la reţeaua de curent alternativ şi consumator. Tensiunea alternativă, de formă
rectangulară, este în continuare redresată şi filtrată şi constituie tensiunea de ieşire a
stabilizatorului.
Pentru ca tensiunea să rămână constantă chiar dacă tensiunea reţelei se modifică sau chiar
dacă circuitul de sarcină îşi modifică valoarea, un eşantion din tensiunea de ieşire este preluat de
circuitul de comandă şi control. Acest bloc are rolul de a compara tensiunea de reacţie cu o
tensiune de prescriere şi să ajusteze pe baza rezultatului comparării durata de conducţie a
elementului de comutare.
Întrucât elementul de comutare se află într-una din cele două stări distincte, conducţie,
respectiv blocare, tensiunea rezultată va avea un important conţinut de armonici superioare. Ele
pot perturba alte echipamente aflate în apropierea stabilizatorului sau se pot propaga în reţeaua de
alimentare. Pentru a împiedica pătrunderea în reţea a tensiunilor perturbatoare la intrarea
stabilizatorului este obligatorie folosirea unui filtru (filtru de radiofrecvenţă).
25
Stabilizatorul mai posedă circuite de protecţie care să-i asigure funcţionarea corectă în
situaţii când curentul de sarcină depăşeşte o anumită limită, precum şi în cazul apariţiei unor
supratensiuni accidentale.
În lucrare se vor analiza separat şi în detaliu fiecare subansamblu cu scopul de a furniza
cititorului de bază pentru a proiecta şi realiza un stabilizator în comutaţie fiabil, cu randament cât
mai bun şi la un preţ cât mai redus.
26
Circuitede
protecţie
FiltruRF
Redresor+
Filtru
Element de
comutaţie
Trafode
putere
Redresor+
Filtru
Circuit de comandă şi
control
Uintrare
Uprescriere
Ureactie
Uiesire
Fig. 3.1 Schema bloc a unui stabilizator de tensiune continuă în comutaţie
3.2 Clasificarea surselor de tensiune continuă în comutaţie
Se cunosc din literatura de specialitate numeroase variante constructive adoptate pentru
realizarea surselor de tensiune continuă în comutaţie (STCC). Analizând soluţiile constructive
adoptate şi având în vedere tipul de circuit electronic utilizat ca element de comutaţie, STCC se
pot clasifica astfel:
STCC de tip direct ( „ forward converter“ )
STCC cu revenire ( „ flyback converter “ )
STCC în contratimp ( „ push-pull converter “ )
Modelul STCC de tip direct este ilustrat în figura 3.2. Când întrerupătorul este închis,
curentul străbate inductivitatea L şi produce la bornele rezistenţei de sarcină Rs o tensiune de
aceeaşI polaritate cu cea a tensiunii de la intrare, U I . Dioda D este polarizată invers. Când
întrerupătorul K este deschis, energia înmagazinată în inductanţă polarizează în sens direct dioda,
producând prin capacitate un curent cu sensul celui indicat în figura 3.2, b. Se observă că
indiferent de starea comutatorului, tensiunea pe rezistenţa de sarcină rămâne de aceeaşi polaritate
ca şi tensiunea de la intrare. Circulaţia curentului prin sarcină este neîntreruptă , în timp ce
curentul debitat de sursa de tensiune UI este pulsatoriu.
Figura 3.3 redă schema de principiu a STCC de tip „ flyback “. Când întrerupătorul K este
închis, inductanţa L înmagazinează energie, iar dioda este blocată. Circuitul de sarcină este
nealimentat. Când întrerupătorul se deschide, energia înmagazinată în inductanţă determină
deschiderea diodei. Tensiunea de la bornele rezistenţei Rs apare cu polaritate opusă faţă de cea a
sursei de la intrare UI .
La o anumită frecvenţă de comandă a întrerupătorului, atât curentul debitat consumatorului
Rs, cât şi cel absorbit de la sursa UI este pulsatoriu.
În funcţie de natura consumatorului, de cerinţele impuse de asigurarea unui anumit grad de
izolare galvanică faţă de reţeaua de alimentare, cele două tipuri de surse se realizează sub forma:
a) STCC cu transformator de izolare
b) STCC fără transformator de izolare.
27
K D
I
+ L C RS
UI
+ UI
-
K L IC
+ D C + + UI - Rs
- -
K IL L
D C Rs
a) b) Fig. 3.2 Modelul STCC „forward“ : a) comutator închis
b) comutator deschis.
K D
+ UI - L C RS
Ic Fig. 3.3. Modelul STCC „ flyback “: a) comutator închis
b) comutator deschis.
3.3 Comparaţie între stabilizatoarele de tensiune liniare şi cele în
comutaţie.
Până acum cca. 18 ani nu era practic altă alternativă pentru alimentarea aparaturii
electronice decât aceea a stabilizatoarelor liniare. În prezent se dispune de circuite integrate
pentru realizarea ambelor tipuri de alimentări. Deocamdată nu se poate spune că un tip se
impune în detrimentul celuilalt, aplicaţiile făcând apel la unul sau altul în proporţii similare.
Avantajele alimentatoarelor liniare. (incluzând transformatorul de reţea, redresorul şi
stabilizatorul de tensiune liniar) sunt următoarele:
- sunt mai uşor de realizat (în special când se utilizează regulatoare integrate cu 3…4
pini);
- permit obţinerea de tensiuni foarte stabile, inclusiv la variaţia temperaturii mediului;
- sunt foarte puţin perturbatoare (paraziţii radiaţi şi transmişi sunt în
general neglijabili);
- prezintă practic un zgomot neglijabil la ieşire;
- au preţul de cost mai redus.
Dezavantajele alimentatoarelor liniare sunt:
- necesită un transformator de reţea greu, voluminos;
- tranzistorul de reglare principal disipă o putere mare şi necesită în
multe cazuri radiator de gabarit important;
- au randamentul relativ scăzut, în special la curenţi mai mari de 1-2 A (60%.
Avantajele alimentatoarelor cu comutaţie sunt următoarele:
- transformatorul necesar lucrează în regim de impulsuri şi datorită frecvenţei ridicate are
o dimensiune redusă;
- condensatorul de filtraj are dimensiune redusă, tot datorită frecvenţei de lucru ridicate;
- tranzistorul de reglaj, lucrând în comutaţie, disipă o putere mai mică şi eventualul
radiator pentru acesta este de dimensiuni reduse;
- au randamentul mai ridicat (≥81%).
Rezultă, prin urmare, că stabilizatoarele cu comutaţie au gabaritul mai redus decât cele
liniare pentru aceleaşi condiţii impuse la ieşire.
28
Inconvenientele alimentatoarelor cu comutaţie sunt:
- se realizează mai greu decât cele liniare;
- stabilizarea tensiunii de ieşire este mai puţin performantă;
- prezintă în tensiunea de ieşire o perturbaţie cu frecvenţa de comutaţie, care poate
deranja în funcţionare unele circuite alimentate;
- radiază câmp perturbator variabil cu frecvenţa de comutaţie care poate deranja în
funcţionare circuitele învecinate;
se micşorează circuitul la curenţi de sarcină reduşi, ceea ce impune realizarea unui
regulator cu funcţionare prin ,,salve” (cerinţă importantă la aparatura portabilă).
Alegerea între alimentatoare liniare şi cu comutaţie se face în funcţie de destinaţia
alimentatorului ce trebuie realizat, de schemele aflate în vecinătate şi de preţul de cost.
Se poate spune, simplificând puţin lucrurile, că:
- alimentatoarele cu comutaţie cu transformator sunt folosite întotdeauna când se doreşte
un cârlig în greutate şi volum fără prea multe constrângeri de stabilitate a tensiunii şi de
neperturbare a circuitelor învecinate (exemplu: alimentarea calculatoarelor, a consolelor
informative, a televizoarelor, a surselor de putere medie şi mare din laboratoare etc.);
- alimentatoarele cu comutaţie cu bobine comutate sunt folosite pentru a genera tensiuni
mai mari sau de semn contrar cu cea redresată (exemple: condensatoare din 6V în 12 V sau din 5
V în + 15 V etc.);
- alimentatoarele liniare sunt utilizate întotdeauna când sunt cerute tensiuni foarte bine
stabilizate (exemple: alimentatoare din laboratoarele de testare, alimentatoare pentru scheme
electronice pretenţioase şi performante);
- alimentatoarele liniare sunt utilizate întotdeauna când se impun surse –
simple, ieftine, uşor de realizat, dar de curent de ieşire ≤1…2A;
- alimentatoarele liniare sunt utilizate atunci când transmiterea de perturbaţii circuitelor
alimentate şi învecinate nu este admisă.
Gabaritul transformatorului de reţea utilizat de sursele liniare poate fi redus cu cca. 40%,
dacă între redresor şi stabilizatorul liniar se intercalează un circuit denumit ,,corector al
factorului de putere” PPC (power factor corector).
29
CAPITOLUL IV
4.1. Tema proiectului
Se va proiecta o sursă de alimentare cu energie electrică în curent continuu stabilizată cu
utilizare în laborator cu următoarele caracteristici:
1. Tensiunea de ieşire reglabilă între 0 19,99V afişată pe un voltmetru digital cu leduri.
2. Curentul maxim de ieşire limitat şi stabilizat reglabil între 5mA 1,999A afişat pe un
alt voltmetru digital cu leduri
3. Montajul complet va conţine două surse identice cu ieşiri flotante care să poată fi
legate atât în serie cât şi în paralel
4. Parametrii sursei de tensiune cât mai buni.
Se va concepe şi experimenta schema de principiu prin simulare Pspice şi prin experimentare
practică pe montaj de test.
Se va proiecta schema de cablaj manual şi eventual utilizând un program adecvat
Se va realiza montajul practic
Se vor face măsurători pe montajul realizat
30
4.2. Schemă sursei de curent şi sursei de tensiune realizată cu
comutatoare electronice
Schema se compune din 2 bucle cu reacţie negativă – o buclă care să permită
funcţionarea în regim de stabilizator de tensiune şi o buclă care să permită funcţionarea în regim
de stabilizator de curent.
Comutarea de pe o buclă pe cealaltă buclă se realizează cu comutatoare electronice
comandate de o logică adecvată.
FCRT=ILR5(-R8/R7)(-R10/R9)=ILR5R8R10/R7R9
R5=0,1
R8=1000K
R7=1000K
R9=100K
R10=1000K
FCRT=IL0,110=IL1
UOUT=UOUT_U - UOUT_I
UOUT2A=-R2/R1 UOUT_U
UOUT2B= -R4/R3 UOUT2A – R4/R6 UOUT_I
UFTENS= UOUT2B=-R4/R3(-R2/R1 UOUT_U)-R4/R6 UOUT_I
31
FCRT=IL1
UFTENS=R4/R3R2/R1 UOUT_U-R4/R6 UOUT_I
R1=1000K
R2=200K
R3=200K
R4=100K
R6=1000K
UFTENS=100K/200K200K/1000K UOUT_U – 100K/1000K UOUT_I
UFTENS=1/10 (UOUT_U - UOUT_I )= UOUT/10
FTENS= UOUT/10
În funcţie de poziţia comutatoarelor acestea vor îndeplinii următoarele funcţii:
K1 K2 K3 Funcţia Exp. matematică a mărimii de ieşire
1 1 1 Stabilizator de tensiune U0=10 UCD_TENS
0 0 1 Stabilizator de curent IL=UCD_CRT/1
1 1 0 Limitarea tensiunii la ieşire U0MAX=10 UL_TENS
Simulare R23 parametru în anexă.
Rezistenţa se modifică de la 0,1 până la 100.
UCOTENS=0,5VU0=10 UCOTENS=5V-tensiunea pe sarcina
UR23=( UOUT_U - UOUT_I)
UCOCRT=0,4V IL= UCOCRT/10,4A400nA curent maxim limitat
În urma experimentelor, atât prin simulare cât şi practic s-a constat existenţa unei zone cu
probleme când se trece de pe o buclă pe cealaltă buclă datorită comparatoarelor din blocul logic.
Dacă histereza este mică apar tranziţii nedorite la ieşirea comparatoarelor, dacă histereza
este mare tensiunea de ieşire sau curentul limitat depăşeşte valoarea cerută
Am considerat această variantă neagreabilă pentru realizări practice şi folosire.
32
OUT_U
SURSA,
OUT_I
+
-
RL
IL
4.3 C.I. LM336 – 2,5
Caracteristici: coeficient de temperatură scăzut 0,2 impedanţa dinamică 1,0% toleranţa stabilitate cu temperatura până la 4mV
Descriere
Circuitul LM336-2,5 integrat lucrează cu un coeficient de temperatură scăzut, este ca o diodă zenner de 2,5V cu o impedanţă dinamică de 0,2.
LM336-2,5 sunt folosite pentru a asigura tensiuni constante pentru voltmetre digitale sau amplificatoare operaţionale.
Capsula circuitului
Valori maxime admisibile
Parametru Simbol Valoare Unitate de măsură
Curent reversat IR 15 mA
Temp. de funcţionare TOPR 0 +70 CTemp. de stocare TSTG -60 +150 C
Caracteristici electrice
Parametru Simbol MIN TIP MAX Unitate de măsură
Curent reversat VR 2,44 2,49 2,54 V
Impedanţă dinamică ZD 0,2 0,6 Stabilitate cu temp. STT 1,8 6 mV
33
1. Adj2. +3. -
4.4. M108A amplificator operaţional cu derivă termică redusă
Descriere generalăM108A este amplificator operaţional de precizie având curenţi de polarizare şi tensiuni
de ofset suficient de reduse pentru a evita compensările de ofset. Circuitele funcţionează
alimentate la tensiuni cuprinse între 2V şi 18V, utilizând acelaşi tip de compensare în
frecvenţă şi putând înlocui direct amplificatoarele M201A/301A.
Caracteristici notabile
Tensiune de ofset: maxim 0,5mV
Curent de polarizare: maxim 3nA
Ofsetul curentului de polarizare: mai mic de 100pA
Deriva termică maximă: 1V/C (M308A)
Curentul de alimentare: 300A
Codificare
Marcaj Cod Capsulă Temperatură de funcţionare
M108AN (*) Plastic 8 -55C…+125C
Configuraţia terminalelor
Valori limită absolută
Tensiunea de alimentare 20V
Gama temperaturilor de funcţionare -55C….+125C
Gama temperaturilor de stocare -55C….+125C
Temperatura joncţiunii +150C
Puterea disipată plastic 8 ---300mW
34
Rezistenţa termică joncţiune-ambiant 250C/W
Nota 1: Intrările sunt şuntate cu diode de protecţie montate cap la cap.
Nota 2: Tensiunea de intrare nu trebuie să depăşească valoarea tensiunii de alimentare.
PERFORMANŢE ELECTRICE (Nota 3)
Parametrul Condiţii M108A Unităţi
Min. Tip. Max.
Tensiunea de ofset
Curentul de polarizare
Ofsetul curentului de
polarizare
Rezistenţa de intrare
Curentul de alimentare
Câştigul în tensiune la
semnal mare
Tensiunea de ofset
Coeficientul termic al
tensiunii de ofset
Curent de polarizare
Ofsetul curentului de
polarizare
Coeficientul termic al
ofsetului de curent
Câştigul în tensiune la
semnal mare
Excursia tensiunii la
ieşire
Tensiunea la intrare
Rejecţia modului comun
Rejecţia alimentării
TA=25C
TA=25C
TA=25C
TA=25C
TA=25C
TA=25C
Nota 4
Nota 4
V=15V
R=15K
L=15V
30
80
40
13
13,5
96
96
0,3
0,8
0,05
70
0,3
300
1
0,5
14
110
110
0,5
2
0,2
0,6
mV
nA
nA
M
mA
V/mV
mV
V/C
nA
nA
pA/C
V/mV
V
V
DB
dB
Nota 3: Fără alte specificaţii, măsurătorile se fac la o alimentare 5V Vs 20V şi sunt
garantate pe toată gama temperaturilor de funcţionare.
Nota 4: Măsurătorile se fac la Vs=15V; Vieşire=10V; RL10K.
35
Aplicaţii tipice
Compensarea în frecvenţă (standard)
Compensarea ofsetului (amplificator neinversor)
4.5. Proiectarea sursei de alimentare realizate practic
Această schemă constă în înserierea unei surse de tensiune cu element de reglare serie cu
o sursă de curent.
Utilizând tranzistoare bipolare conform schemei de principiu (simulată) se constată
trecerea firească dintr-o zonă de funcţionare în alta.
Puntea redresoare
Pentru redresoarele monofazate există posibilitatea de alegere între cele trei variante:
redresor monoalternanţă, bialternanţă cu punct de nul, bialternanţă în punte. Puntea redresoare
are rolul de a prelua tensiunea alternativă de la transformator şi de a o redresa, pentru a furniza
tensiunea continuă , impusă de buna funcţionare a etajului stabilizator.
Redresorul poate fi de două feluri:
de tip clasic, cu diode (la vedere)
încapsulat, de tip circuit integrat
În primul caz cele mai frecvent folosite sunt diodele 1N4001…1N4007. Acestea sunt în
număr de patru.
36
CfR1/(R1+R2)30pF
În cazul de faţă vom folosi redresorul monofazat bialternant în punte de tip circuit integrat,
încapsulat respectiv 1PM05
Fig. Transformator cu puntea redresoare.
După puntea redresoare se vor monta condensatori electrolitici de valoare 1000F.
Referinţa de tensiune este realizată cu CI LM336-2,5. Aceasta asigură un bun coeficient
termic. Pentru întreg domeniu de temperatură 0 –70C în catalog se garantează o modificare cu
maxim 6 mV, tipic 1,8mV Rezistenţa dinamică 0,21.
Stabilitatea pe termen lung faţă de tensiunea de referinţă tipic 20 ppm/khr. Operează la
un curent invers de maxim 10 mA, uzual 1mA sau mai mic. Funcţionează în gama de
temperatură 070C, varianta comercială.
37
Se poate ajusta uşor tensiunea de referinţă folosind o schemă adecvată cu 4 diode şi un
semireglabil.
VCV R1 2,5V D4
5V
UD00,5V. IR D3
USR1=2,5V – 4 0,5V=0,5V. 10K SR1
ID40,5/10K=0,05mA. D2
IR1mA.
IR1=1,05mA. D1
R1=2,5V/1,05mA2,5k.
ALEGEM R1=2K7
Tensiunea de comandă prescrisă pentru stabilizatorul de tensiune (amplificator neinversor
care include AO1, T1,T2,T3 şi reţeaua de reacţie negativă RPM2, RPM1, RPM3).
U0=UCD-TENS[1+RPM2/(RPM1+RPM3)] +
Observaţie: UCD-TENS
R5//(RPM1+RPM3)RPM1+RPM3 - RPM2 OUT
Impunem RPM2/(RPM1+RPM3)=9 pentru a avea: RPM1 UO=10UCD-TENS RPM3 U0
Pentru a obţine 20V la ieşire trebuie să reiasă 2V din calcul.
UREF1 R2
2,5V
50k P2 BRUT 2V se obţine cu cursorul P2, P1 pe poziţia
maximă
2,5k P1 FIN ALEGEM:
P2=50k; P1=2,5k.
38
R2 2V 2V = 2,5V (P1+P2) / P2+P1+P2)2,5V 2V=2,5V 52,5k / (R2+32,5k) 2R2 + 2 52,5k = 2,5 52,5k, P1+P2 2 R2 = 0,5 52,5 R2 = (0,5 52,5) / 2 = 13,125 k
Alegem R2 RPM = 13k
Se obţine valoarea maximă la ieşire 19,99V afişată pe voltmetru prin afişarea SR1.
Din condiţia RPM2 / (RPM1 +RPM3) = 9 impunând RPM2 = 237k
RPM1 + RPM3 = 237k / 9 = 26,33k.
Alegem următoarea variantă a tensiunii de compensare a tensiunii de decalaj:
VCV +
+5V -
R4
R5 RPM1 RPM2
SR3
50k 1M RPM3
R3 750
VEV -5V
Impunem RPM3 = 750
R5 = 1M, SR3 = 50k
RPM1 = 26,33k - 0,75k = 25,58k
39
Tensiune de decalaj pentru M108 este de maxim 0,5mV. Luăm acoperitor UcOMP
decalaj 2mV.
USR3 R5
RPM3 Ucomp de decalaj
USR3 RPM3 / (R5 + RPM3) = 2mV
USR3 0,75 k / 1000,75k = 2mV
USR3 = 2668mV 2,67V
+5V
R4
2,67V +5 V R4
SR3 0V 2,67
50k - 2,67V SR3/2 25k
R3
-5V 5V 25k / (R4 + 25k) = 2,67V
2,67 R4 + 2,67 25k = 5 25k
R4 = 2,33 25k / 2,67 = 21,81k
Alegem R4 = 22k
Similar R3 = 22k
Curentul absorbit de reţeaua de reacţie este de maxim
20V / (RPM2 + RPM1 + RPM3) = 20V / (237k + 26,33k) = 0,076mA.
Curentul minim prescris de sursa de curent este impus la 5mA.
Rezultă o abatere de 0,076A /5mA = 0,0152 = 15 % în situaţia cea mai defavorabilă
datorită reţelei de reacţie.
Curentul absorbit de intrarea AO (M108) este maxim 2nA = 0,002A<<76A.
40
Curentul prin sarcină diferă de curentul prescris şi datorită curenţilor de bază ai tranzistoarelor
bipolare (tripleţii T1, T2, T3 şi T4, T5, T6).
În situaţia descrisă de mai sus avem:
T1ech = 123 = 100 50 20 = 100000
IB1 5mA/100000 = 0,0005mA = 0,5A.
IRL = IE1 - IDIV
IE1 = IC1 + IB1
IC1= IR16 – IB4
IE1 = IR16 – IB4 + IB1IR16 dacă T1T4 D.p.d.v al .
se observă un avantaj al combinării celor 2 surse în sensul micşorării influenţei curentului de
bază al tranzistorului bipolar asupra curentului prin sarcină.
Influenţa divizorului din reţeaua de reacţie poate fi puternic scăzută impunând o reţea
totală (repetor de tensiune).
o sursă de curent de mare precizie.
41
UCD-TENS -
20V
+
Ibias M108 U0
2A RS
Rămâne influenţa temperaturii asupra comportării tranzistoarelor de mare putere
erori datorate curentului rezidual ICBO.
Este posibilă realizarea unei surse etalon de tensiune-curent cu această schemă dacă
utilizăm un comutator mecanic care să introducă diferite valori pentru R16’.
R16’
UCD_CRT I= UCD_CRT/R16’
I
-
+
Pentru a elimina influenţa curentului ICBO asupra curentului prin sarcină pentru valori mici
este de preferat înlocuirea tranzistorului bipolar cu tranzistor MOS. Variantă de sursă cu
tranzistor MOS este tratată în schemele prezentate.
Referinţa pentru sursa de curent se realizează similar cu referinţa pentru sursa de
tensiune.
VIN
42
UCD_CRT R16’
V+ I -
V-
Luând R16’ = 1
UCD_CRTMAX = 1,999A / 1 = 1,999V
UCD_CRTMIN = 5 mA / 1 = 0,005V
Deoarece tensiunea de mod comun la intrarea AO trebuie să fie cu cel puţin 12V mai
mică decât tensiunea de alimentare la V+ şi cu 12V mai mare decât tensiunea de alimentare la
V-.
Din acest motiv alimentăm AO2 cu două surse simetrice 5V faţă de VIN.
VCC = VIN + 5V
VEC = VIN – 5V
43
P3 pe poziţia maxim
R1, R13 se pun de valori mari 1M.
R12 // P3 P3.
44
R16'
I
P3
R10
R11
SR2
R9 2.7K
VI
VEC
5V
2,5V
Vcd_crt
R10
P3
R11I
2,5V1,994
1,999V
2,501
5mA
I = 1,994V / 5k = 0,3988mA
R10 = 5mV / I = 5 10-3 / 1,994 5 = 12,53
R11 = 0,501V / I = 1,256k
Alegem R10 = 13
R11 = 1,27K
R15 se alege încât să asigure Ib4 necesar în situaţia I = 2A
Impunem în această situaţie VOUT_AO2 = VI – VEC + 0,7V = VI - 4V.
UR15 = 0,5V.
R15 = UR15 / Ib4 = UR15 / (I / echiv) = 0,5V / 2A / 200000 = 0,5 / 2 200000
Alegem R15 = 50k.
Condensatoarele C14, C15 se aleg de valoare mare pentru a avea o bună stabilitate.
45
R10
P3R11
2,5V 5mA
R15
0,6V 0,6V 0,6V
1
2A
VI
Vcc+VI
VEC+VI
VI-2V
VI-3,8V
Limitarea curentului se reglează printr-un potenţiometru iar avertizarea de limitare se
face printr-un LED poziţionat deasupra potenţiometrului. Reglarea tensiunii se realizează prin
două potenţiometre BRUT şi FIN.
Trecerea dintr-o zonă de funcţionare în alta, din sursa de tensiune în cea de curent se
realizează utilizând tranzistoare bipolare.
Când funcţionează ca stabilizator de tensiune tranzistorul PNP din componenţa sursei de
curent este saturat şi se comportă ca un contact închis permiţând funcţionarea stabilizatorului de
tensiune.
Când funcţionează în regim de curent limitat tranzistorul NPN din componenţa sursei de
tensiune este saturat funcţionând ca un contact închis permiţând funcţionarea stabilizatorului de
tensiune prin care se injectează curentul furnizat de sursa de curent.
Observaţie: Întrucât s-a utilizat un triplet de tranzistoare Darlington tranzistorul de putere
nu ajunge propriuzis la saturaţie (întrucât se saturează primul) lucru care nu are prea mare
importanţă întrucât un tranzistor de putere este văzut de celălalt tranzistor dinspre colector,
terminal în care impedanţa este cea mai mare (terminal de mare impedanţă.
Reglaje1. Se poziţionează cu potenţiometru pentru tensiunea prescrisă pe minim.
Se poziţionează potenţiometrul curent prescris pe o valoare oarecare spre maxim.
Ieşirea sursei este în gol.
Se cuplează la ieşirea sursei un voltmetru digital poziţionat pe scara cea mai mică.
Se acţionează semireglabilul pentru reglaj ofset pentru a obţine 0mV la ieşire.
2. Se poziţionează potenţiometrii de prescriere tensiune pe maxim.
Se acţionează semireglabilul SR1 încât să obţinem la ieşire 19,99V.
3. Se poziţionează potenţiometrul de prescriere curent pe maxim .
Se face scurtcircuit la ieşire.
Se acţionează SR2 pentru a obţine 1,999A indicaţia convertorului analog numeric pentru
măsurarea curentului.
46
4.6. Avantaje şi dezavantaje ale sursei de alimentare realizate
Avantaje: Posibilitatea de stabilire a curentului limitat la valoarea dorită care se păstrează indiferent de
tensiunea pe sarcină.
O corelare simplă între tensiunea de comandă şi tensiunea de ieşire respectiv curent limitat,
ceea ce permite o eventuală comandă numerică ( tensiune de comandă obţinută de la un
potenţiometru numeric sau calculator )
Posibilitatea legării în paralel a mai multor surse fără nici un fel de restricţii
Parametrii buni pentru sursa de tensiune respectiv de curent (rezistenţa de ieşire, rezistenţa
termică), coeficient de stabilizare în tensiune, coeficient de stabilizare termic
Utilizarea comodă pentru lucrările de laborator. Exemplu:
a) trasarea caracteristicii unei diode:
Se reglează curentul limitat la o valoare nedistructivă pentru montaj urmând să se facă
experimentul fără teama că se distruge la un eventual supracurent
b) alimentarea diverselor circuite electronice care necesită tensiuni continue
Dezavantaje:
Randament scăzut (specific stabilizatoarelor liniare) mai ales situaţie limită:
a) funcţionarea în regim de stabilizator de tensiune, pentru tensiuni mici şi curent mare.
Ex: 1V/2A rezultă puterea pe elementul de reglare serie (tranzistorul npn )
30V2A=60W
b) funcţionarea în regim de stabilizator de curent pentru valoare mare a curentului şi valoare
mică a rezistenţei de sarcină eventual scurtcircuit
ex: scurtcircuit la ieşire şi potenţiometru de curent pe poziţia maxim rezultă puterea
disipată pe tranzistorul pnp de putere 3035V2A=6070W
c) posibilitate de îmbunătăţire a randamentului: combinarea sursei prezentate cu o sursă în
comutaţie (convertorul Step-down sau Buck): tensiunea furnizată de convertorul cc-cc în
comutaţie se urmăreşte să fie cu 45V mai mare de cât tensiunea de ieşire a sursei. În
acest fel puterea maximă disipată pe elementul de reglare serie este în situaţia cea mai
defavorabilă (curent 2A maxim) este (45V2A1)2A 232A46W
În acest fel putem obţine o sursă cu un curent şi de zece ori mai mare.
47
BIBLIOGRAFIE:
1. Ioan P. Mihu – “Dispozitive şi circuite electronice”, Vol.1, Ed. Universităţii
“L.Blaga” Sibiu 1997.
2. P. Roşca, C. Diaconescu, V. M. Popa – “Electrotehnica, măsurări şi maşini electrice”.
3. Manolescu A. ş.a – “Circuite integrate liniare” Ed.D.P. Bucureşti, 1983.
4. G. Găzdaru – “Îndrumar pentru electronişti radio şi tv”, Ed. D. P. Bucureşti 1991.
5. I. Ristea, C. A. Popescu – “Stabilizatoare de tensiune”, Ed. Tehnică Bucureşti.
6. Mircea A. Ciugudean –“ Stabilizatoare de tensiune cu circuite integrate liniare.
Dimensionare”, Editura de Vest.
48