UNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” DIN TIMI OARA Facultatea de ... · PDF fileComparaţie...

Click here to load reader

  • date post

    01-Sep-2019
  • Category

    Documents

  • view

    2
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of UNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” DIN TIMI OARA Facultatea de ... · PDF fileComparaţie...

  • UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIOARA Facultatea de Electronic i Telecomunicaii

    Ing. VALENTIN-IOAN MARANESCU

    TEZ DE DOCTORAT

    Conductor tiinific Prof. Dr. Ing. CORNELIU I. TOMA

    2006

  • UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIOARA Facultatea de Electronic i Telecomunicaii

    Departamentul Electronic Aplicat

    CONTRIBUII LA MBUNTIREA UNOR PERFORMANE

    ALE STABILIZATOARELOR DE TENSIUNE

    CU REGULATOARE INTEGRATE LINIARE INTERCONECTATE

    Tez de doctorat

    Conductor tiinific: Prof. Dr. Ing. Corneliu I. Toma

    Doctorand: Ing. Valentin-Ioan Maranescu

    2006

  • Cuprins

    CCUUPPRRIINNSS

    Capitolul 1. Motivaie 1 1.1. Consideraii generale asupra performanelor electrice i termice ale

    stabilizatoarelor liniare de tensiune 1 1.2. Actualitatea tezei de doctorat 15 1.3. Structura tezei 18

    Capitolul 2. Metode de interconectare i simulare a regulatoarelor de

    tensiune integrate liniare 21

    2.1. Metode de extindere a ariei sigure de funcionare a regulatoarelor 21 2.1.1. Extinderea gamei curentului de sarcin folosind rezistor de ocolire 22 2.1.2. Extinderea gamei de cureni de sarcin folosind un tranzistor extern 24 2.1.3. Extinderea gamei curentului de sarcin folosind tranzistoare externe

    conectate n paralel 26 2.1.4. Extinderea gamei curentului de sarcin folosind regulatoare conectate n

    paralel 28 A. Interconectarea cu pin de ajustare comun 28 B. Interconectarea cu pin de ajustare comun la regulatoarele auxiliare 32 C. Interconectarea folosind conexiunea Kelvin 34

    2.1.5. Extinderea gamei tensiunii de intrare prin nserierea regulatoarelor 37 2.1.6. Stabilizator de tensiuni mari 39

    2.2. Soluii pentru eficientizarea simulrilor regulatoarelor interconectate 40 2.2.1. Implementarea analizei .PARAM cu valori digitale pentru trasarea

    familiilor de curbe 40 2.2.2. Generarea eficient a stimulilor 42

    2.3. Concluzii 44

    Capitolul 3. Soluii performante de interconectare a regulatoarelor de tensiune integrate liniare 45

    3.1. Conectarea n paralel a regulatoarelor de tensiune integrate 45 3.1.1. Conectarea n paralel cu distribuie egal a curenilor 45 3.1.2. Conectarea n paralel, cu regulatorul principal avnd curent inferior

    regulatoarelor auxiliare 50 A. Compensarea cderilor de tensiune pe firele de legtur la sarcin 59

    3.2. Conectarea n serie a regulatoarelor de tensiune integrate 63

  • Cuprins

    3.2.1. Conectarea n serie cu distribuie egal a cderilor de tensiune 63 3.2.2. Extinderea SOA cu regulatoare nseriate i rezistor de ocolire 69

    3.3. Concluzii 77

    Capitolul 4. Soluii pentru exploatarea optim a ariei sigure de funcionare 78

    4.1. mbuntirea traseului termic folosind materiale compozite avansate 78 4.1.1. Comparaie ntre modelarea neliniar unitar i modelarea folosind

    elemente constante 81 4.1.2. Modelarea neliniar folosind subdiviziuni 86

    4.2. Modelarea deplasrii ariei sigure de funcionare cu temperatura 89 4.3. Reducerea rezistenei termice echivalente ntre jonciuni i radiator prin

    cedarea echilibrat a cldurii pe ci multiple identice 94 4.4. Concluzii 96

    Capitolul 5. Contribuii i concluzii 97 5.1. Contribuii teoretice i aplicative 97 5.2. Concluzii i perspective 101 Bibliografie 102

    Anexe 111

  • Cap.1. Motivaie

    1

    CCAAPPIITTOOLLUULL 11

    MMOOTTIIVVAAIIEE 1.1. Consideraii generale asupra performanelor electrice i termice ale

    stabilizatoarelor liniare de tensiune

    Alimentarea circuitelor electronice se face de la surse de energie ce trebuie s furnizeze tensiuni constante. ntruct n realitate nu exist surse de tensiune ideale, se folosesc circuite de stabilizare a tensiunii. Iniial acestea au fost realizate cu componente discrete (tranzistoare i componente pasive), ns n jurul anului 1970 au aprut i primele circuite integrate liniare cu rol de stabilizare a tensiunii, numite de uzual regulatoare de tensiune [10], [44], [96].

    n electronic, regulatoarele integrate sunt circuitele integrate cele mai des folosite, dup amplificatoarele operaionale, fiind necesare aproape n orice aparat.

    Necesitatea mai multor tensiuni de alimentare duce adeseori la sisteme distribuite, n care o tensiune bine filtrat dar nestabilizat este aplicat fiecrui modul sau etaj al unui aparat, unde un regulator local stabilizeaz tensiunea la valoarea dorit [20], [28].

    n prezent exist dou categorii de stabilizatoare de tensiune: liniare i n comutaie. Ele se difereniaz prin modul de lucru al elementelor active ce contribuie la stabilizarea tensiunii de ieire. Astfel sursele liniare se caracterizeaz printr-o funcionare ce evit regimurile blocat i saturat ale tranzistoarelor cu rol de reglare, pe cnd la sursele n comutaie - tranzistoarele sau tiristoarele principale funcioneaz n regim de comutaie, la o frecven peste 20kHz [72], [107], [109].

    Randamentul mai sczut al surselor liniare, provenit din modul de lucru liniar, ridic probleme de evacuare eficient a cldurii disipate. Dei regulatoarele integrate utilizate pot avea un cost redus, sistemul de rcire poate ridica considerabil preul sursei, de el depinznd fiabilitatea i performanele vizate de aceasta. n contextul miniaturizrii circuitelor electronice i a

  • Cap.1. Motivaie

    2

    capsulelor acestora, implicit a regulatoarelor liniare, problema rcirii devine critic prin creterea puterii disipate pentru unitatea de arie integrat [85].

    Tehnicile de ultim or utilizeaz materiale performante n vederea reducerii oricror rezistene termice n traseul jonciuni - mediul ambiant [99], [101]. Pentru o cunoatere ct mai precis a modului de disipare a cldurii se fac analize termice folosind programe performante ce capteaz prin modele comportarea termic a materialelor ncepnd de la jonciuni pn la aerul n micare [103].

    Comparaie ntre stabilizatoare de tensiune liniare i cele n comutaie. Dei iniial singura alternativ pentru alimentarea aparaturii electronice

    erau doar stabilizatoarele liniare, n prezent se folosesc n egal msur ambele tipuri de stabilizatoare, fiecare avnd propriile familii de regulatoare integrate.

    O comparaie a celor dou tipuri de alimentri arat c de fapt ele nu se exclud ci se completeaz, uneori fiind necesare ambele n aceeai surs de alimentare. Un exemplu care ncearc s combine avantajele celor dou sunt regulatoarele integrate mixte, care se regsesc cu precdere n industria automotive [111].

    Avantajele alimentatoarelor liniare (cuprinznd transformatorul de reea, redresorul i stabilizatorul de tensiune liniar) sunt urmtoarele [20], [107]: - sunt uor de realizat (utiliznd regulatoare integrate cu 3 pini), - pot fi ajustabile ntr-o gam larg de tensiune la ieire, - dac au element de reglare serie (ERS) cu tranzistoare CMOS, pot lucra la

    cderi mici de tensiune, - furnizeaz tensiuni bine stabilizate n raport cu variaia temperaturii mediului, - au rspuns tranzitoriu bun la variaiile sarcinii sau ale alimentrii (sunt

    rapide), - nu introduc perturbaii n reeaua de alimentare i nu genereaz perturbaii

    electromagnetice, - prezint un zgomot la ieire neglijabil pentru majoritatea aplicaiilor, - au curent rezidual (la funcionarea n gol) relativ redus, - au un cost redus.

    Dezavantajele alimentatoarelor liniare sunt: - necesit un transformator de reea care este greu i voluminos, - tranzistorul de reglare principal lucrnd n regim liniar disip o putere mare i

    necesit n multe cazuri o rcire corespunztoare, - au randament relativ sczut n special la cderi mari de tensiune pe ERS.

    Avantajele alimentatoarelor n comutaie sunt urmtoarele [107], [109]: - transformatorul lucreaz n regim de impulsuri la frecven ridicat i deci are

    o dimensiune redus, - elementele de filtraj (L, C) au dimensiuni reduse tot datorit frecvenei de

    lucru ridicate,

  • Cap.1. Motivaie

    3

    - tranzistorul (tiristorul) de reglaj, lucrnd n comutaie, disip o putere mic i necesit eventual un radiator de dimensiuni reduse,

    - au un randament ridicat (> 81%), - pot oferi tensiuni de semn contrar sau mai mari dect tensiunea de intrare.

    Pentru cureni i tensiuni de sarcin peste o anumite valori, rezult c stabilizatoarele n comutaie au gabaritul mai redus dect cele liniare.

    Dezavantajele alimentatoarelor n comutaie sunt [107], [109]: - stabilizarea tensiunii de ieire este mai puin performant, - se realizeaz mai greu dect cele liniare, fiind mai complexe, - prezint n tensiunea de ieire o perturbaie cu frecvena de comutaie, - radiaz cmp perturbator variabil cu frecvena de comutaie, care poate

    deranja circuitele vecine, - transmite perturbaii n reeaua de alimentare, care se cumuleaz duntor

    cnd numrul de aparate cu alimentare n comutaie este mare, - randament micorat la cureni de sarcin redui, impunnd funcionarea prin

    salve. n concluzie, alegerea ntre alimentatoarele liniare i n comutaie se face

    n funcie de destinaia alimentatorului ce trebuie realizat, de schemele aflate n vecintate i de preul de cost.

    Alimentatoarele n comutaie cu transformator sunt folosite: - unde se dorete un ctig n greutate i volum fr prea multe constrngeri de

    stabilitate a tensiunii i de neperturbare a circuitelor nvecinate (exemple: alimentarea calculatoarelor, a circuitelor digitale, a surselor de putere medie i mare din laboratoare) [20].

    - unde este necesar obinerea unei tensiuni mai mari dect cea redresat sau de dou polariti.

    - Alimentatoarele liniare sunt utilizate: - unde se doresc tensiuni foarte bine sta