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