stabilizatoare de tensiune continu -...
Post on 04-Feb-2018
264 Views
Preview:
TRANSCRIPT
STABILIZATOARE DE TENSIUNE CONTINUǍ
3.1. Probleme generale
Un stabilizator de tensiune continuă, STC, este un circuit care, alimentat de la o
sursă de tensiune continuă ce prezintă variaţii ale tensiunii (sursă nestabilizată),
furnizează la ieşire o tensiune a cărei variaţie sa fie mult mai mică. El se mai numeste în
limbajul curent şi sursă stabilizată.
STC sunt foarte răspândite pentru că majoritatea circuitelor electronice trebuie
alimentate la tensiuni constante iar sursele cele mai obişnuite, redresoarele, au variaţii
mari, în primul rând pentru că tensiunea reţelei are variaţii şi în al doilea rând fiindcă la
un redresor tensiunea de ieşire scade semnificativ o dată cu creşterea curentului.
Un stabilizator se reprezintă simplificat ca un cuadripol (figura 3.1a), tensiunea
nestabilizată, UI, se aplică la intrare iar el menţine constantă tensiunea UO la ieşirea
conectată la o sarcină RS. La un stabilizator ideal tensiunea de ieşire, UO, este constantă şi
deci variaţia ei este zero (în figura 3.1b este reprezentată caracteristica de iesire tensiune-
curent ideală). În cazul real există variaţii care depind mai ales de modificarea tensiunii
de intrare, a curentului de ieşire (echivalent, a rezistenţei de sarcină) şi a temperaturii.
3.1.1. Clasificarea stabilizatoarelor
Există două clase mari de stabilizatoare:
1. Stabilizatoare liniare (sunt circuite analogice, ele fiind şi subiectul
capitolului);
2. Stabilizatoare în comutaţie.
Stabilizatoarele liniare se clasifică după câteva criterii:
a) b)
Fig. 3.1. Stabilizatorul de tensiune continuă privit ca un cuadripol (a),
caracteristica de ieşire ideală (b).
- după metoda de stabilizare:
-cu elemente neliniare (numite şi stabilizatoare parametrice), care
utilizează proprietăţile unor dispozitive electronice neliniare;
-cu , ele fiind sisteme cu care utilizează o referinţă de tensiune;
- după tipul elementelor utilizate: - cu elemente discrete;
- cu circuite integrate;
- după poziţia elementului de reglaj: - cu element de reglaj serie;
- cu element de reglaj paralel.
Mai exista stabilizatoare fixe sau reglabile, cu limitarea sau întreruperea curentului
în cazul suprasarcinii dar şi cu cu alte protecţii complexe, mai sunt surse simple, duble
sau multiple, care pot fi independente sau nu.
Stabilizatoarele în comutaţie (numite şi cu acronimul SMPS - Switched Mode
Power Supply) se clasifică şi ele după câteva criterii specifice:
- după izolarea galvanică între ieşire şi intrare:
- cu izolare;
- fără izolare;
- după numărul de ieşiri stabilizate:
- individuale;
- cu ieşiri multiple.
Mai exista variante funcţie de schema de convertor de c.c. utilizată, stabilizatoare
cu corecţie a factorului de putere, stabilizatoare cu circuite de comutaţie în regim
cvasirezonant.
O comparaţie între cele două clase poate fi urmărită în tabelul 3.1.
Tabelul 3.1: Caracteristici comparative ale STC
Stabilizatoare liniare Stabilizatoare în comutaţie
Nu provoacă fenomene de
interferenţă electromagnetica
Sursă de zgomot
electromagnetic
Volum şi greutate mare Volum şi greutate mică,
radiatoare mici
Calitate mai bună a tensiunii
de ieşire
Componenta mai mare a
tensiunii alternative la ieşire
Parametrii dinamici superiori Răspuns mai lent la variaţii
rapide
Randament scăzut Randament ridicat
Calitate foarte bună a
stabilizării
Stabilizare cu performante
mai slabe
3.1.2. Parametrii principali
O sursă stabilizată are două mărimi principale:
1. Tensiunea de ieşire UO;
2. Curentul maxim de iesire IOM.
Capacitatea de stabilizare a tensiunii de ieşire a unui STC se defineşte prin trei
parametri mai importanţi. Se porneşte de la faptul că tensiunea de ieşire este influenţată
decisiv de variaţia a trei mărimi:
- tensiunea de intrare, UI;
- curentul de ieşire, IO;
- temperatura mediului, T.
UO se consideră a fi o funcţie de mărimile amintite:
UO = f (UI, IO, T). (3.1)
Variaţia tensiunii de ieşire, dUO este:
TT
UI
I
UU
U
UU O
O
O
OI
I
O dddd
; (3.2)
iar trecând la diferenţe finite şi introducând principalii parametri ai unui stabilizator se
obţine:
ΔUO = 0S
1 ΔUI + RO ΔIO + Kθ ΔT. (3.3)
Se consideră pe rând doar una dintre mărimi ca fiind variabilă şi celelalte două constante
şi se definesc principalii parametri ai unui stabilizator:
Coeficientul de stabilizare, SO (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia
tensiunii de intrare pentru IO şi T constante) :
O
I
O
IO
U
U
U
US
(3.4)
Rezistenţa de ieşire, R0 (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia
curentului de ieşire pentru UI şi T constante) :
O
O
O
OO
I
U
I
UR
(3.5)
şi care este rezistenţa internă a schemei echivalente Thevenin a stabilizatorului, formată
dintr-o sursă ideală de valoare UO în serie cu rezistenţa RO.
Coeficientul de temperatură, Kθ (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de
variaţia temperaturii mediului pentru UI şi IO constante) :
T
U
T
UK OO
(3.6)
Adeseori, pentru a aprecia raportul relativ al variaţiilor intrare-ieşire, în locul
coeficientului de stabilizare se utilizează un parametru derivat, al variaţiilor raportate,
numit factorul de stabilizare:
OO
II
UU
UUF
/
/
(3.7)
Calitatea unui stabilizator mai este definită şi prin factorul de rejecţie a variaţiei
la intrare, care stabileşte atenuarea, în decibeli, dintre variaţia periodică la intrare şi
ieşire:
O
I
U
Uk
log20 (3.8)
Un stabilizator ideal are infinite SO, k sau F iar RO şi Kθ au valoarea zero.
Se mai folosesc curent alte două mărimi prin care se reprezintă variaţiile tensiunii
de ieşire a unui stabilizator faţă de variaţiile tensiunii de intrare (care poate fi reţeaua -
line în engleză) sau ale sarcinii (load în engleză). Acestea sunt:
- stabilizare la variaţia intrării sau reţelei (line regulation)
- stabilizare la variaţia sarcinii (load regulation).
Aceste mărimi sunt utilizate mai ales pentru caracterizarea circuitelor stabilizatoare
integrate.
Uneori variaţiile sunt reprezentate procentual, ca în formulele următoare:
%100x min-max
min)la(Umax)la(U % intrare la eStabilizar OO
II
II
UU
UU (3.9)
%100 x nominal
max)la(Umin)la(U % sarcina la eStabilizar OO
O
OO
U
II (3.10)
şi cum se poate vedea în extrasul din foile de catalog ale stabilizatorului integrat LM723:
Alteori variaţiile sunt reprezentate direct:
Stabilizare la variaţia intrării = UO(la UI max) - UO(la UI min) (3.11)
Stabilizare la variaţia sarcinii = UO(la IO min) - UO(la IO max) (3.12)
şi cum se poate vedea în extrasul din foile de catalog ale stabilizatorului integrat L7805:
O altă mărime utilizată pentru a evalua calitatea unui stabilizator este componenta
alternativă suprapusă peste tensiunea de ieşire, compusă dintr-o componentă periodică
(provenită din reţea) şi alta aleatorie (zgomot), numită în literatura engleză PARD
(Periodic And Random Deviation). Aceasta se măsoară în valoare efectivă sau vârf la
vârf, pe o bandă de frecvenţă între 20 Hz – 20 MHz, cu un instrument cu largimea de
banda amintită. Fluctuaţiile mai lente sunt considerate derivă.
Alti parametri sunt densitatea de putere, care evaluează raportul dintre puterea
sursei şi volumul acesteia, plaja tensiunii de intrare permise, viteza de răspuns
tranzitoriu la o variaţie rapidă a sarcinii.
În tabelul 3.2 sunt prezentate comparativ valori ale parametrilor surselor liniare şi
în comutatie.
Tabelul 3.2: Parametrii STC, valori în zona superioară a performanţelor
Parametrul Sursă liniară Sursă în comutaţie
SO 5000 2000
R0 0,2 mΩ 1 mΩ
Componenta alternativă 0,5 mV 10 mV
Randament maxim 55% 95%
Densitate de putere 0,03 W/cm3
0,6 W/cm3
Plaja tensiunii de intrare ± 10% ± 20%
Răspuns tranzitoriu 50 µs 300 µs
3.1.3. Poziţionarea într-un sistem electronic
Într-un sistem electronic locul stabilizatorului de tensiune continuă (S-figura 3.2)
este obişnuit după un redresor (R) conectat la reţea printr-un transformator. Tensiunea de
intrare a stabilizatorului este tensiunea pe condensatorul de filtrare a redresorului, (UI ), şi
are o variaţie specifică, cvasi-triunghiulară. Variaţia este preluată de stabilizator astfel că
tensiunea dintre intrare şi ieşire, Ust, prezentată haşurat, are o variaţie similară în timp ce
tensiunea de ieşire, UO, este continuă.
O altă mărime evidenţiată în figură este curentul absorbit de stabilizator, Ist, el
fiind diferenţa dintre curentul furnizat de redresor şi cel de ieşire al stabilizatorului sau,
altfel definit, curentul de mers în gol (în engleză - quiescent current). Într-adevăr, IO este
zero (stabilizatorul nu furnizează curent, adică rezistenţa de sarcină este infinită, ieşirea în
gol) de la redresor este absorbit doar acest curent.
Fig. 3.2. Poziţia stabilizatorului şi forma tensiunilor principale.
Conectarea la reţea este prezentată simplificat în figura 3.2. În realitate un circuit
complet (prezentat în figura 3.3) are mai multe elemente, cele mai multe fiind de
protecţie
Fig. 3.3. Circuit de conectare la reţea.
Imediat după cablul de alimentare de la reţetea este o suguranţă fuzibilă. Apoi, în
paralel pe reţea, este plasat un element de protecţie la supratensiuni tranzitorii de valoare
ridicată ale reţelei (Transient Voltage Suppressor – TVS) care poate fi un varistor, celule
de seleniu sau două diode Zener conectate inversat în serie. Acesta la rândul sau poate fi
protejat cu siguranţa fuzibilă, eventual cu semnalizare.
Urmează un circuit filtru pentru interferenţă electromagnetică şi radiofrecvenţă
(Electro-Magnetic Interference/Radio Frequency Interference - EMI/RFI) pentru o
protecţie cu dublu sens: pe de o parte opreşte zgomotul din reţea, pe de alta evită ca
zgomotul sursei (semnificativ la sursele în comutaţie) sa ajungă în reţea. După filtru este
comutatorul de reţea şi un circuit RC de protecţie pentru eventuale supratensiuni
provocate de comutator şi doar apoi este primarul transformatorului de reţea şi redresorul.
De foarte multe ori sunt necesare mai multe STC cu tensiuni de valori şi polarităţi
diferite. Schema simplificată a unui astfel de circuit de alimentare cu trei tensiuni
stabilizate liniare diferite (aici + 5V; + 12V; - 12V) este prezentată în figura 3.4. Au fost
alese trei variante diferite pentru redresoarele monofazate.
Fig. 3.4. Circuit de alimentare cu trei tensiuni stabilizate.
3.2. Stabilizatoare parametrice
Stabilizatoarele parametrice utilizează direct elemente rezistive neliniare care au o
caracteristică curent-tensiune cu o zonă de tensiune aproape constantă pe o plajă relativ
largă de curenţi (rezistenţa dinamică este foarte mică). Astfel de elemente sunt joncţiunile
semiconductoare dar şi unele tuburi cu descărcare în gaz. Cel mai utilizat element este
dioda Zener.
3.2.1. Stabilizator cu diodă Zener
Schema cea mai simplă şi mai folosită este prezentată în figura 3.5.
Fig. 3.5. Stabilizator parametric cu diodă Zener.
Dioda Zener trebuie polarizată în regiunea inversă, peste punctul de străpungere,
astfel că UI trebuie să fie mai mare decât tensiunea de străpungere a diodei, UZ.
Rezistenţa R se mai numeşte rezistenţă de balast şi ea limitează curentul prin diodă la
valori nepericuloase.
Performanţele acestui stabilizator sunt modeste şi sunt date de urmatoarele relaţii:
Z
Or
RS (3.13)
ZO rR (3.14)
3.2.2. Calculul unui STC cu diodă Zener
Obişnuit pentru un stabilizator se cer:
- tensiunea de ieşire - UO
- curentul maxim de ieşire - IOM
atunci când se cunoaşte evoluţia tensiunii de intrare, UI, care variază între două valori:
- UIm –tensiunea de intrare minimă;
- UIM –tensiunea de intrare maximă
Stabilizatorul funcţionează bine atâta vreme cât dioda Zener este în zona de
stabilizare iar puterea pe diodă este sub limita permisă, adică prin diodă curentul, IZ, nu
scade sub o valoare minimă şi nu creşte peste o valoare maximă, ambele evaluate din
foile de catalog, situaţiile limită fiind prezentate în continuare.
1. Curentul prin diodă este la limita inferioară atunci când tensiunea de intrare
este la valoarea minimă iar curentul prin sarcină este maxim;
2. Curentul prin diodă este la limita superioară atunci când tensiunea de intrare
este la valoarea maximă iar curentul prin sarcină este minim;
Alegerea diodei
La alegerea diodei se va ţine cont de două lucruri:
- tensiunea Zener a diodei se va alege tensiunea de ieşire, UO;
- puterea diodei trebuie să fie mai mare cu 20 – 50% decât puterea de ieşire
maximă:
POM = UO IOM (3.15)
Ultima condiţie poate fi echivalată cu o condiţie de curenţi, şi anume curentul
maxim al diodei să fie cu 20 – 50% mai mare decât curentul maxim de ieşire. În funcţie
de datele de catalog se va utiliza una sau alta dintre ele.
Calculul R
Rezistenţa R trebuie să asigure curentul minim prin dioda Zener, IZm, în
condiţiile:
- UIm - tensiunea de intrare minimă; (3.16)
- IOM - curentul maxim de ieşire.
Curentul prin R este în aceste condiţii:
R
UUI O
R
Im = IZm + IOM (3.17)
de unde va rezulta R, care va fi o valoare maximă (fiind calculată pentru un curent
minim). Rezistenţa fizică aleasă va fi obişnuit puţin sub această valoare.
nu este precizat un curent IZm în foile de catalog acesta se alege de ordinul a
1-5% din curentul maxim.
În final se face o verificare a curentului maxim prin dioda Zener în condiţiile:
- UIM - tensiunea de intrare maximă; (3.18)
- IO =0 - curentul minim de ieşire
IZM = IRM = R
UU OIM (3.19)
se obţine un curent mai mare decât cel al diodei alese se va alege o diodă de curent
(putere) mai mare.
3.2.3. Mărirea coeficientului de stabilizare, SO
Coeficientul de stabilizare SO poate fi imbunatăţit prin mărirea rezistenţei de balast
(relaţia 3.13), dar asta are efect de micşorare a curentului maxim al stabilizatorului. El
mai poate fi mărit însă şi prin conectarea în cascadă a două celule (figura 3.6). În acest
caz coeficientul de stabilizare devine produsul coeficienţilor de stabilizare ai fiecăruia
dintre cele două stabilizatoare. Dezavantajul este că se micşorează curentul maxim
posibil dar această micşorare este mult mai mică decât în cazul în care este mărită doar
rezistenţa de balast
Fig. 3.6. Îmbunătăţirea coeficientului de stabilizare prin
conectarea în cascadă a două celule.
Pentru a micşora rezistenţa interna a unui stabilizator liniar singura soluţie este
utilizarea i (a se vedea şi relaţia 3.14).
3.3. Stabilizatoare serie cu reacţie
La stabilizatoarele cu tensiunea de iesire UO este comparată cu o tensiune fixă,
numită tensiune de referinţă, furnizata de un element referinţă de tensiune. În cazul
obişnuit referinţa este un stabilizator parametric cum sunt cele din paragraful anterior.
Calitatea referinţei decide calitatea stabilizatorului astfel că este nevoie se utilizează
referinţe de precizie.
Comparaţia este făcută în cele mai multe cazuri de un amplificator numit şi de
eroare, pentru că amplifică diferenţa celor doua tensiuni (eroarea). Tensiunea de eroare
amplificată comandă un element de control care acţionează în sensul micşorării erorii.
Dupa poziţia elementului de control faţă de sarcină se disting:
- stabilizatoare serie, la care elementul de control este în serie cu sarcina;
- stabilizatoare paralel, mai puţin utilizate, la care elementul de control este în
paralel cu sarcina.
3.3.1. Schema bloc a unui stabilizator serie cu reacţie
Schema bloc a unui stabilizator de tip serie este prezentată în figura 3.7.
Blocul referinţă de tensiune furnizează tensiunea URef. De obicei tensiunea de
ieşire nu este comparată direct cu aceasta ci este preluată printr-un traductor care
furnizează o tensiune kUO, proporţională cu tensiunea de ieşire. Traductorul este de cele
mai multe ori un simplu divizor rezistiv. Diferenţa celor doua este semnalul de eroare: UEr = kUO - URef (3.20)
care este amplificat iar rezultanta, AU(kUO-URef) este tensiunea care controlează elementul
de control serie în aşa fel încât orice tendinţă de variaţie a tensiunii la ieşire
să fie compensată.
De exemplu, o scădere a rezistenţei de sarcină provoacă prin acest mecanism o
crestere a curentului prin elementul de control şi implicit la ieşire astfel încât tensiunea de
ieşire să se menţină constantă.
Fig. 3.7. Schema bloc a unui stabilizator serie.
3.3.2. Stabilizator serie cu tranzistor
Cel mai simplu stabilizator serie cu , a cărui schemă este prezentată în figura 3.8,
utilizează un stabilizator parametric cu diodă Zener ca referinţă de tensiune şi un
tranzistor care are simultan rol de comparator şi element de control serie.
Fig. 3.8. Stabilizator serie cu diodă Zener şi tranzistor
Funcţionarea schemei poate fi apreciata printr-o analiză directă. Se vede că:
UO = URef - UBE ( 0,7V) (3.21)
unde URef se presupune constantă. Deoarece tensiunea UBE a unui tranzistor are variaţii
mici pentru un domeniu întins de curenţi se poate aprecia că:
UO constantă
Rezistenţa interna este mult mai mică faţă de stabilizatorul fără tranzistor:
ZO
rR (3.22)
unde β este factorul de amplificare în curent al tranzistorului.
Coeficientul de stabilizare SO rămâne acelaşi cu cel de la stabilizatorul cu diodă
Zener (relaţia 3.13) dar în cazul de aici rezistenţa de balast R este mult mai mare, şi la fel
SO, deoarece prin ea circulă un curent de β ori mai mic.
Calculul stabilizatorului serie cu tranzistor
Calculul acestui stabilizator este asemănător cu al stabilizatorului cu diodă Zener.
Alegerea diodei se face conform relaţiei 3.21, tensiunea diodei fiind cu aproximativ 0,7
mai mare decât tensiunea de ieşire.
Tranzistorul se alege astfel încât să suporte tensiunea maximă de intrare, curentul
maxim de ieşire şi puterea disipată maximă:
UCE0> UIM;
IC > IOM; (3.23)
PD> IOM(UIM- UO).
Calculul R se face pentru aceleaşi condiţii (3.16) şi ţine cont de faptul că prin ea
circulă curentul prin diodă plus curentul de baza al tranzistorului (
OI) şi relaţia devine
aici:
R
UUI O
R
7,0Im IZm + OMI
(3.24)
În final se face verificarea curentului maxim prin dioda Zener în condiţiile (3.18):
IZM = IRM = R
UU OIM 7,0 (3.25)
3.3.3. Stabilizator serie cu amplificator de eroare
Performantele acestei scheme sunt mult mai bune decât ale celor fără amplificator,
dar acestea pot fi îmbunătăţite foarte mult sunt utilizate elemente, blocuri sau
configuraţii cu performanţe superioare. Î vor fi prezentate în subcapitolele următoare .
Schemele de stabilizatoare serie cu şi amplificator de eroare sunt dintre cele mai
diverse. Una dintre cele mai utilizate este prezentată în figura 3.9.
Ca amplificator de eroare este utilizat un amplificator diferenţial format din
tranzistoarele T1 şi T2, care are avantajul unei sensibilităţi mici la variaţii ale tensiunii de
intrare şi a ale temperaturii. Traductorul este un divizor rezistiv format din rezistenţele R4
şi R5. Adeseori între acestea este pus un potenţiometru cu care se poate regla tensiunea de
ieşire a stabilizatorului prin modificarea constantei de divizare.
Referinţa de tensiune este un stabilizator parametric, R, DZ iar elementul de
control serie este un tranzistor.
Fig. 3.9. Stabilizator serie cu amplificator diferenţial.
3.3.5. Elementul de control
Elementul de control este, la schema serie cu reactie, un tranzistor în conexiune
CC, sarcina fiind în emitor, avantajul fiind o rezistenta de intrare mare şi o rezistenţă de
ieşire mica. În plus configuraţia suporta tensiuni mai mari şi are o mai buna stabilitate
decât varianta cu sarcina în colector. Dezavantajul este că buna funcţionare implică o
cădere de tensiune minimă de câţiva volti pe tranzistor.
Din acest motiv atunci când, mai ales la STC a căror sursă de intrare este o baterie
de tensiune joasă - şi sunt nenumarate aplicaţii de acest tip astăzi - căderea de tensiune pe
elementul de control trebuie să fie cât mai mică, se utilizează varianta cu sarcina în
colector.
La curenţi de ieşire sub 1A este de obicei suficient un singur tranzistor. La curenti
mai mari însă sunt utilizate combinaţii de tranzistoare ca element de control. Conexiunea Darlington
Conxiunea Darligton (figura 3.13a -analizată în capitolul 5) este o combinaţie de
două tranzistoare, echivalentă cu un tranzistor cu amplificarea de curent şi rezistenţa de
intrare mărite de β ori (factorului de amplificare în curent). Efectul principal este
micşorarea rezistenţei interne a stabilizatorului care depinde, la stabilizatoarele cu , atât
de amplificarea amplificatorului, care la rândul ei este proporţională cu rezistenţa de
intrare a tranzistorului serie, cât şi de factorul de amplificare al tranzistorului regulator.
a) b)
Fig. 3.13. Conxiunea Darligton.
Cele două tranzistoare disipă puteri mult diferite, fiind polarizate colector-emitor
cu tensiuni apropape egale (diferenţa este 0,7, tensiunea bază-emitor a T1) dar parcurse de
curenţi mult diferiţi deoarece:
I = β1IB1
Tranzistorul T2 are obişnuit o putere de căteva zeci de ori mai mică decât T1.
Nu este deloc neobişnuit să fie utilizate combinaţii de trei tranzistoare în
conexiune Darlington, ca în figura 3.13b.
Deoarece tranzistorul T1 functioneaza la curenti mari şi se incalzeste, curentul ICB)
poate deveni important şi poate deregla regimul dinamic la blocare, iar drept urmare
tensiunea de iesire are o supracrestere temporara. Din acest motiv tranzistoarele de putere
au atasata o rezistenta de drenare a curentului ICB0 asa cum se poate vedea în figura 3.14.
Fig. 3.14. Conectarea rezistenţei de drenare a curentului ICB0
Tranzistoare paralel
Atunci când curenţii de iesire sunt mari adeseori tranzistorul de control serie este
format din tranzistoare identice, puse în paralel, o combinaţie de astfel de doua tranzistoare (dar
ele pot fi mult mai multe) fiind prezentată în figura 3.15:
Avantajele unei astfel de combinaţii sunt un preţ mai mic faţa de un singur
tranzistor de putere mai mare şi un factor de amplificare mai mare, acesta scăzând
semnificativ o dată cu creşterea puterii tranzistorului.
Deoarece tranzistoarele pot avea diferenţe notabile între curenţii principali funcţie
de tensiunea bază-emitor (identică în cazul legarii paralel), poate apare o diferenţa
similară de incărcare (putere disipată). În acest caz unul dintre tranzistoare este mai
solicitat şi în consecinţa temperatura sa creste mai mult iar acest lucru va mări şi mai mult
curentul prin acel tranzistor ceea ce conduce la un fenomen de ambalare termica care va
dezechilibra puternic valorile curenţilor prin cele doua tranzistoare şi se poate ajunge la
distrugerea celui mai solicitat. Fenomenul este eliminat practic se utilizează rezistenţe
de egalizare, de valoare mică, conectate în serie cu emitoarele, cum se observă în figura.
Cu cât valoarea rezistenţei este mai mare, dezechilibrul se micşorează, dar o valoare mare
înseamnă mărirea căderii de tensiune pe elementul serie şi pierderi de putere. Alegerea se
face printr-un compromis, valorile curente fiind fracţiuni de ohm.
Fig. 3.15. Conectarea în paralel a două tranzistoare de putere
Tranzistoare cu sarcina în colector
La stabilizatoarele de tensiune mică, în principal la cele alimentate de la baterii,
este critică valoare căderii de tensiune pe tranzistorul de reglaj serie şi se preferă
conectarea sarcinii în colector, figura 3.16a. Se asigură în acest fel o cădere de tensiune
mică (LDO - low drop out) care poate începe de la 0,1V.
a) b)
Fig. 3.16. Elemente de control serie pentru stabilizatoare de tensiuni mici
3.5.1. Stabilizatoare în trei puncte
Stabilizatoarele în trei puncte sunt realizate în doua variante principale:
- cu tensiune de iesire fixa
- cu tensiune de iesire reglabila
si au, dupa cum le spune numele, doar trei puncte de acces: intrarea, iesirea şi fie punctul
comun, în cazul stabilizatoarelor cu tensiune de iesire fixa, fie un punct pentru reglare în
cazul stabilizatoarelor cu tensiune de iesire reglabila.
Ele se mai impart în doua categorii dupa polaritatea tensiunii, fiind:
- stabilizatoare de tensiune pozitiva
- stabilizatoare de tensiune negativa
Avantajele principale sunt simplitatea şi pretul scazut. Ele au protectie termica (la
supraincalzirea circuitului) şi la suprasarcina.
Stabilizatoare fixe în trei puncte (L78xx, L79xx)
Stabilizatoarele fixe sunt cele mai ieftine şi mai uşor de utilizat dar au
dezavantajul că tensiunea de ieşire este doar de anumite valori şi care nici nu pot fi
reglate cu precizie.
Cele mai folosite familii de circuite stabilizatoare fixe în trei puncte sunt L78xx,
stabilizatoare de tensiune pozitiva şi L79xx, stabilizatoare de tensiune negativa. Valorile
xx sunt: 05, 52, 06, 08, 85, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 24 şi corespund unor tensiuni de iesire
fixe de 5; 5,2; 6; 8; 8,5; 9; 10; 12; 15; 18; 20 şi 24 volti.
Schemele de utilizare recomandate de fabricant sunt prezentate în figurile 3.36
(stabilizator de tensiune pozitivă cu L78xx) şi 3.37 (stabilizator de tensiune negativă cu
L79xx).
Fig. 3.36. Schema de utilizare pentru stabilizatorul 78xx.
Fig. 3.37. Schema de utilizare pentru stabilizatorul 79xx.
Schema bloc a acestor stabilizatoare (figura 3.38), evidenţiază elementele
principale din schema bloc generală din figura 7, la care se adauga un circuit pentru o
pornire sigura şi doua circuite de protecţie, unul de protecţie termica şi al doilea pentru
depăşirea suprafeţei sigure de lucru, SOA (Safe Operating Area).
Fig. 3.38. Schema bloc a stabilizatoarele 78xx şi 79xx.
Stabilizatoare reglabile în trei puncte (LM317, LM337)
Cele mai utilizate circuite stabilizatoare reglabile în trei puncte sunt LM317,
stabilizator reglabil de tensiune pozitiva şi LM337, stabilizator reglabil de tensiune
negativa.
In esenta circuitul mentine constanta o tensiune de 1,25V intre terminalul de iesire
şi cel de reglaj. Principiul e ilustrat în figura 3.39 pentru varianta pozitiva (lucrurile fiind
similare şi pentru varianta negativa)
Fig. 3.39. Principiul de functionare al stabilizatorului reglabil LM317.
Daca tensiunea notata cu VREF este constanta, atunci se deduce simplu că, dacă se
neglijeaza curentul absorbit de stabilizator, IADJ+, care are o valoare de aproximativ 50µA,
tensiunea de iesire este:
(3.38)
Tensiunea minima este 1,25V atunci cand
rezistenta reglabila este zero. Tensiunea maxima
depinde de raportul rezistentelor R1 şi R2. O conditie
suplimentara este ca în cel mai defavorabil caz (tensiune de iesire minima):
I1>>50µA (3.39)
Schema de utilizare este prezentata în figura 3.40. Diodele au rol de protectie,
analizat în paragraful despre protecţia stabilizatoarelor
Fig. 3.40. Schema de utilizare a stabilizatorului reglabil LM317.
Utilizarea încrucişată a stabilizatoarelor în trei puncte
Existenţa stabilizatoarelor pentru tensiuni pozitive şi negative nu înseamnă că ele
sunt destinate exclusiv pentru realizarea surselor stabilizate de polaritatea destinată de
1
2125,1R
RUO
fabricant. Ele pot fi utilizate şi pentru polaritatea opusă, un exemplu fiind prezentat în
figura 3.41 unde stabilizatorul de tensiune nagativă, L79xx este utilizat pentru a realiza o
tensiune stabilizată pozitivă.
Fig. 3.41. Stabilizator de tensiune pozitivă
cu stabilizatorul de tensiune negativă, L79xx.
Deosebirea fundamentală faţă de circuitul din figura 3.36 este că sursa
nestabilizată şi sursa stabilizată nu au un punct comun de masă, sursa nestabilizată fiind
flotantă.
Alte stabilizatoare integrate în trei puncte
Stabilizatoarele în trei puncte prezentate sunt doar cele mai utilizate circuite de
acest fel. Exista multe alte variante, cu alti parametri, cum sunt tensiunile sau curentii de
iesire, tensiunile minime de intrare, curentii absorbiti de stabilizator (quiescent current).
Exista circuite de tensiuni ridicate HV sau de curenti mari, pana la 10A dar şi circuite
economice, cu curenţi de mers în gol de ordinul μA.
3.6. Protecţia stabilizatoarelor
Stabilizatoarele sunt circuite foarte utilizate, de care depinde buna funcţionare a
mai multor altor circuite electronice, motiv pentru care fiabilitatea stabilizatoarelor este o
preocupare foarte importantă. Obişnuit un stabilizator este în pericol în cazul unor
regimuri de avarie ale circuitelor de alimentare nestabilizată (redresoarelor) sau ale
sarcinii (de obicei alte circuite electronice).
Regimul de avarie cel mai des întâlnit şi cel mai priculos pentru stabilizatoarele
serie este cel de suprasarcina sau supracurent, în care rezistenţa totala a sarcinii scade sub
valoarea minimă admisă şi care provoacă creşterea curentului de ieşire peste valoarea
maxim admisibilă. La limită, dacă rezistenţa scade la zero regimul se numeşte de
scurcircuit.
Fără circuite speciale de protecţie la suprasarcină sau scurtcircuit, prin natura lor,
la stabilizatoarele cu reactie serie curentul de ieşire poate creşte până la maximul posibil
dat de sursa nestabilizată, curent care este cu cel puţin un ordin de mărime mai mare
decât curentul nominal. Solicitarea în curent a elementului de control care este parcurs de
curentul de ieşire (un tranzistor - sau o combinaţie de tranzistoare), creşte similar iar
dacă se depăşeste valoarea maxim admisibilă acesta se arde.
Defectarea poate avea loc şi dacă nu se depăşeşte curentul maxim dar dacă se
depăşeşte puterea disipată (produsul curent-tensiune pe element) maximă a tranzistorului
(adică se iese din aria de funcţionare sigură - SOA). Un efect agravant al regimului de
suprasarcină şi mai ales de scurtcircuit este că şi tensiunea pe elementul de control creşte
în condiţiile în care stabilizatorul suprasolicitat iese din plaja de stabilizare şi tensiunea
de ieşire scade (chiar la zero în cazul regimului de scurtcircuit) astfel că puterea disipată
creşte suplimentar.
Defectarea tranzistorului principal la depăşirea SOA nu se face instantaneu ci într-
un interval de timp care poate ajunge la minute.
3.6.1. Protecţia la suprasarcină şi scurtcircuit
Protecţiile la suprasarcină şi scurtcircuit intră în acţiune atunci când curentul
depăşeste o valoare prescrisă şi asigură o limitarea a curentului la valori nepericuloase
pentru elementul de control serie. Ele se împart în două categorii în funcţie de modul de
acţiune şi corespunzător există două variante (prezentate în figura 3.42) pentru
caracteristicile curent tensiune.
a) b)
Fig. 3.42. Tipuri de caracteristici curent tensiune
pentru stabilizatoarele cu protecţie la suprasarcină.
În primul caz se limitează curentul dupa trecerea de punctul de curent maxim şi,
dacă rezistenţa de sarcină ajunge la zero, se ajunge la un curent de scurtcircuit, ISsc, puţin
mai mare decât curentul maxim (3.42a). În acest fel însa tensiunea pe tranzistor creşte iar
puterea disipata pe tranzistor este mult mai mare decât puterea la funcţionarea în
domeniul normal. Stabilizatorul nu poate rămâne în regim de scurtcircuit decât un timp
limitat.
A doua produce o întoarcere a caracteristicii şi un curent de scurtcircuit mult mai
mic decât curentul maxim admis (figura 3.42b). În acest fel puterea disipata pe tranzistor
este comparabilă cu puterea rezultată din funcţionarea în domeniul normal iar
sStabilizatorul poate rămâne în regim de scurtcircuit fară riscuri.
În figura 3.43 este prezentată varianta de circuit ce produce doar limitarea
curentului.
Schema are două elemente şi ce poate fi adoptata la toate stabilizatoarele serie cu
reactie şi amplificator de eroare. T este elementul de reglaj serie iar RP este o rezistenţă
mică prin care trece curentul de sarcină IO care produce o tensiune egala cu RPIO iar TP
este tranzistorul de protecţie.
Pentru IO < ISmax tensiunea RPIO < UBE de deschidere a tranzistorului de protecţie,
aproximativ 0,6V, şi acesta este blocat. La valori IO > ISmax TP se deschide şi preia din
curentul de comandă furnizat de amplificatorul de eroare. Se realizează astfel o limitare a
curentului de sarcină.
Fig. 3.43. Schemă de protecţie cu limitarea curentului.
În figura 3.44 este prezentată varianta de schema numită cu întoarcere şi care produce
micşorarea curentului de scurtcircuit faţă de curentul maxim prin sarcină.
Se observa că, pentru tranzistorul de protectie, TP:
UBE = RPIO - kUO
După deschiderea TP, prin acţiunea de deviere a curentului, tensiunea de ieşire UO
scade, scade kUO şi deci UBE creşte şi creşte curentul preluat de la amplificatorul de
eroare. În acest fel se micşorează, nu doar se limitează, curentul de comandă al
tranzistorului principal şi deci şi curentul principal.
Fig. 3.44. Schemă de protecţie cu micşorarea curentului de scurtcircuit.
3.6.2. Protectie cu diode la inversarea accidentală a tensiunilor pe tranzistoare
Inversarea accidentală a tensiunilor pe tranzistoare sau pe circuitele integrate din
stabilizatoare poate provoca distrugerea acestor elemente. Situaţii de acest fel apar mai
ales când se produc scurcircuite la sarcină sau la intrare. O protecţie simplă este cu diode
şi este chiar recomandată de producător pentru unele circuite cum sunt stabilizatoarele
integrate reglabile în trei puncte şi după cum se poate vedea în figura 3.40. Aici dioda D1
protejează la scurtcircuit pe intrare, caz în care tensiunea de ieşire apare (pe timp scurt,
până la descarcarea condensatorului de la ieşire) pe elementul de reglaj serie şi are
polaritate inversă decât tensiunea pe acelaşi element în funcţionare normală. Prezenţa
diodei (care se deschide) limiteaza această tensiune inversă la 0,7V.
A doua diodă, D2 protejează la scurtcircuit pe ieşire, caz în care tensiunea între
punctele OUT şi ADJ schimbă sensul devenind egală, în momentul iniţial al
scurtcircuitului, cu tensiunea pe condensatorul CA. Dioda limitează şi în acest caz
tensiunea inversă la valoarea 0,7V.
O altă situaţie care cere plasarea unor diode de protecţie (de data asta pe ieşirea
stabilizatoarelor) apare când sunt utilizate surse înseriate (figura 3.45) iar sarcina este
între extremităţi, aşa cum se întâmplă de exemplu la alimentarea amplificatoarelor
operaţionale. Un scurtcircuit pe sarcină poate inversa tensiunea la bornele de ieşire ale
stabilizatoarelor dar prezenţa diodelor limitează această tensiune inversă la 0,7V.
Fig. 3.45. Protecţie cu diode pe ieşiri la sursele stabilizate înseriate.
un tranzistor pnp de comandă urmat de unul de putere npn denumită cvasi-LDO,
este prezentată în figura 3.16b, caz în care căderea de tensiune poate începe de la 0,9V.
Combinaţia se numeste şi tranzistor Darlington cu schimbare de polaritate deoarece este
echivalenta cu un tranzistor, aici pnp, complementar celui de putere, aici npn.
Trebuie precizat că varianta cu tranzistor npn este totuşi mai utilizată fiindcă este
în primul rând mai stabilă, apoi are rezistenţă de intrare mai mare şi deci amplificare mai
mare a amplificatorului de eroare şi rezistenţă de ieşire mai mică care asigură un regim
dinamic mai bun, mai ales pe sarcini capacitive.
Tranzistoare MOS
Adeseori pentru realizarea LDO sunt preferate tranzistoarele de putere MOS. Cele
de tip P-MOS sunt utilizate direct (figura 3.17a), caderea de tensiune fiind de pana la
0,3V iar cele de tip N-MOS fie direct (variantele mai noi fiind deasemenea cu rezistenţă
RON mică) în combinaţie cu un P-MOS de mică putere (figura 3.17b).
a) b)
Fig. 3.17. Elemente de control serie cu tranzistorare MOS pentru stabilizatoare LDO: cu
canal p (a) şi combinaţie canal n şi p (b).
top related