cef-stabilizatoare electronice

6. Stabilizatoare electronice

6.1 Introducere Stabilizare a unei mrimi electrice = meninerea constant a valorii unei mrimi electrice (n sensul de meninerea ct mai aproape de acea valoare constant), chiar i atunci cnd asupra ei acioneaz factori perturbatori. Circuitul care ndeplinete acea funciune se numete stabilizator. Funciunea se poate aplica n scop informaional (utilizarea unei mrimi ca referin pentru altele) sau n scop energetic (calitatea energiei de alimentare a circuitelor electronice). Cel mai frecvent ntlnit este stabilizatorul de tensiune (pentru alimentarea circuitelor electronice la tensiune constant), dar se folosesc i stabilizatoare de curent (surse de curent constant). Stabilizarea unei mrimi este caz particular al funciunii de reglare automat (vezi cursul de sisteme automate). Alte funciuni: reglare n regim de urmrire, protecie, optimizare etc. Ca i n cazul convertoarelor de putere, semnalele din partea de putere a stabilizatorului snt numai analogice (comanda poate fi i numeric). Scopul stabilizrii: - tensiune pe sarcin independent de perturbaii (rejecia perturbaiei); - revenire rapid la valoarea cerut a tensiunii pe sarcin, dup apariia unei perturbaii (proces

tranzitoriu scurt); - variaie rapid spre valoarea cerut a tensiunii pe sarcin, dac aceasta s-a modificat. Consumatori (sarcini) ai surselor de tensiune stabilizat snt toate aparatele electronice, inclusiv o mare parte din cele alimentate din baterii. Structura stabilizatorului depinde de alimentare i de performanele ateptate. Dou exemple tipice de conectare snt cele din figurile 6.1 i 6.2. Perturbaiile uzuale: - Sarcina - Sursa de tensiune nestabilizat (media i componenta ondulatorie) - Temperatura

Figura 6.1: Stabilizarea tensiunii furnizate de baterie

Figura 6.2: Stabilizarea tensiunii furnizate de reeaua electric Efectele dispersiei parametrice: valori dispersate ale tensiunii stabilizate, valori dispersate ale curentului maxim, surse simetrice care nu snt simetrice etc. Performanele stabilizatorului de tensiune (regim static i dinamic): - Tensiunea nominal - Curentul nominal - Curentul de scurtcircuit (dac este suportat!) - Randamentul, n regim nominal

Laureniu Frangu, Circuite Electronice Fundamentale 2008 113

- Domeniul admis al tensiunii de alimentare - Abaterile maxime ale tensiunii de sarcin, fa de valoarea nominal - Ondulaia maxim a tensiunii de sarcin - Coeficientul de variaie a tensiunii cu curentul de sarcin (rezistena intern) - Coeficientul de variaie a tensiunii cu tensiunea de alimentare - Coeficientul de variaie a tensiunii cu temperatura - Variaia maxim de tensiune i timpul de stabilizare, dup un salt al curentului de sarcin - Variaia maxim de tensiune i timpul de stabilizare, dup un salt al tensiunii de alimentare

Figura 6.3: Caracteristica de sarcin Caracteristica de sarcin (caracteristic extern) a stabilizatorului exprim dependena dintre curentul absorbit de sarcin i tensiunea pe sarcin (fr s considere ondulaia tensiunii pe sarcin). Un exemplu de caracteristic de sarcin este dat n figura 6.3 (se presupune tensiunea de alimentare constant). ntr-o aproximare liniar (valabil pe un interval mic), panta tangentei la caracteristic (cu semn schimbat) este rezistena intern sau rezistena de ieire a stabilizatorului, adic coeficientul de variaie a tensiunii cu curentul de sarcin (n regim cvasistaionar):

constUs

so

adIdU

R=

= (6.1)

Un alt parametru este coeficientul de stabilizare, n raport cu tensiunea de alimentare (regim cvasistaionar):

constRa

s

sdUdU

K ==1 (6.2)

Figura 6.5: Variante de protecie a stabilizatorului Din considerente economice, stabilizatorul este proiectat pentru o ncrcare nominal de la sarcin. Depirea acestei ncrcri este tratat diferit, n funcie de scopul stabilizatorului i de natura sarcinii: - stabilizatorul i sarcina snt protejate prin ntreruperea funcionrii (figura 6.5a) - stabilizatorul este protejat prin limitarea abrupt a curentului (figura 6.5b) - stabilizatorul este protejat prin limitarea cu ntoarcere a curentului (figura 6.5c).


Protecia prin ntrerupere este folosit doar n echipamentele cu funcionare critic, la care securitatea echipamentului este esenial. Protecia este n folosul echipamentului alimentat. Limitarea abrupt este folosit n echipamente de laborator, care au nevoie de regimul de curent constant, sau acolo unde sarcina i proprietile ei nu snt cunoscute a priori. Aproape ntotdeauna, tensiunea de sarcin i curentul de limitare snt reglabile. Limitarea este cea care creaz regimul de curent constant, dar protejaz i sursa. Stabilizatoarele cu limitare abrupt suport regimul de scurtcircuit, dar dispozitivele disip foarte mult, n comparaie cu regimul nominal. Limitarea cu ntoarcere este folosit n interiorul aparatelor, cnd sarcina sursei este cunoscut i fixat. Asigur disipaie mic n regimul de scurtcircuit i protejaz sursa. O performan de regim dinamic, anume atenuarea ondulaiei de pe intrare, este exprimat prin factorul de stabilizare n raport cu alimentarea. Acesta arat n ce raport abaterile tensiunii de alimentare (de obicei, produse de redresorul tensiunii de reea) se vor regsi sub form de ondulaie a tensiunii de sarcin (numit, de obicei, riplu). De aceea, un stabilizator bun trebuie s aib valori mari ale coeficientului K, din relaia (6.2). Alte performane de regim dinamic snt abaterea maxim i durata regimului tranzitoriu, dup variaii n treapt ale pertrubaiilor. Ele pot fi critice n acele cazuri n care consumatorul nu suport depiri ale tensiunii de alimentare. Forma tensiunii pe sarcin, la aciunea perturbaiilor, este similar cu cea din figura 6.4.

Figura 6.4: Variaia tensiunii pe sarcin, ca efect al perturbaiilor Clasificare, dup metoda de stabilizare: - Stabilizatoare parametrice, stabilizarea se bazeaz doar pe caracteristica neliniar a unui

dispozitiv (diod, tub). Snt foarte simple, performane slabe; - Stabilizatoare cu reacie, liniare (stabilizare bun, zgomot mic, randament slab); - Stabilizatoare cu reacie, n comutaie (stabilizare bun, zgomot mai mare, randament bun).

6.2 Stabilizatoare parametrice Stabilizatoarele parametrice se bazeaz pe caracteristica neliniar a unui dispozitiv, mrimea de ieire fiind impus de un parametru al acestei caracteristici. Cel mai frecvent, dispozitivul neliniar este o diod Zener, care are caracteristica din figura 6.6. Ea este folosit n polarizare invers, n regiunea de variaie rapid a curentului (regiunea de strpungere), pentru c aceast regiune se caracterizeaz prin variaia slab a tensiunii. Parametrul care indic tensiunea de polarizare invers, pentru care dioda conduce, se numete tensiune de strpungere (Uz). Acest parametru este un parametru de corelaie (spre exemplu, valoarea tensiunii inverse la care curentul atinge o limit convenional), ntruct la orice tensiune exist curent nenul prin diod, chiar dac este neglijabil. Tensiunea de strpungere a diodei Zener este cea care impune tensiunea pe sarcin, ntr-un stabilizator parametric.


Figura 6.6: Caracteristica unei diode Zener (diod stabilizatoare)

zs UU = BEzs UUU = BEzs UUU =

Figura 6.7: Stabilizatoare parametrice n figura 6.7 snt prezentate trei variante de stabilizator parametric, mpreun cu valorile tensiunii de sarcin. Aceste valori nu snt foarte stabile, din cauza perturbaiilor menionate i a dispersiei parametrice. Pe de o parte, caracteristica diodei din regiunea de strpungere nu este un segment, caracterizat prin tensiune constant. Pe de alt parte, poziia acestui segment (valoarea parametrului tensiune de strpungere) este influenat de temperatur i are o dispersie foarte mare, n cadrul unui lot de diode. Stabilizatorul din figura 6.7a este caracterizat prin ecuaiile (6.3)-(6.6):

daa URIU += (6.3) sda III += (6.4)

sss IRU = (6.5) )( ddd UII = (6.6)

Primele trei snt ecuaii Kirchhoff, a patra este caracteristica diodei. Prin eliminarea curenilor din R i din sarcin, primele trei ecuaii snt nlocuite de:

ds

dda UR

UIRU ++= )( (6.7) Punctul de funcionare al diodei este soluia sistemului de mai sus. Rezolvarea grafic (ecuaiile (6.6) i (6.7)) este cea sugerat de figura 6.8, n care polarizarea invers a diodei a fost reprezentat n cadranul I. Se observ pe acest grafic cum este influenat punctul de funcionare de aciunea perturbaiilor. Cnd rezistena de sarcin scade (curentul de sarcin crete), punctul de funcionare se deplaseaz n jos, iar cnd ea crete (scade curentul prin sarcin), punctul de funcionare se deplaseaz n sus. Punctul de funcionare se mai poate deplasa dac se modific tensiunea de alimentare. Limita pn la care se poate deplasa n jos punctul de funcionare este cea la care


curentul prin diod se anuleaz (dioda se blocheaz). Limita de sus este dat de curentul maxim admis prin diod.

Figura 6.8: Punctul de funcionare al diodei, rezolvare grafic Pentru a aprecia parametrii stabilizatorului, se consider rezistena dinamic a diodei, n jurul punctului de funcionare, adic inversa pantei caracteristicii n acel punct. Rezult:

RrR zo ||= (6.8)

sz

sz

a

sRrR

RrUU

K ||||

dd1

+== , sz RrRK||

1+= (6.9) Aceste performane snt modeste. O mbuntire important se obine dac se adopt schema din figura 6.7b, n care partea cea mai mare a curentului de sarcin este adus de tranzistor. Implicit, variaia curentului prin diod se diminueaz substanial (este doar variaia curentului de baz). Rezistena intern a stabilizatorului este mai mic, ntruct sarcina este cuplat n emitorul tranzistorului, a crui impedan de ieire este mic. Influena tensiunii de alimentare rmne important. Influena temperaturii poate fi diminuat parial, acolo unde se poate alege o diod cu coeficient pozitiv de variaie a tensiunii de strpungere (jonciunea baz-emitor are coeficient negativ). Performanele stabilizatorului:

1||

++=

f

izo h

hRrR , (6.10)

Rrr

K zz+=

1 , zrRK +=1 . (6.11)

Varianta din figura 6.7c este similar cu cea din 6.7b, dar folosete un tranzistor compus, pentru sarcini care solicit curent mare. n figura 6.9 este prezentat o variant de stabilizator cu tranzistor paralel. Schemele de c.a. snt destinate calculului rezistenei de ieire (rezistena intern a stabilizatorului) i a factorului de stabilizare n raport cu alimentarea. Relaiile aproximative care definesc performanele:

m

z

f

iz

oo g

rh

hrRh

R 111

||||1 ++++= (6.12)

Rh

hrh

RR

UU

Kf

iz

os

a

s 1||1||||

1 ++

== , 1

1++ fiz hhr

RK . (6.13)


BEzs UUU +=

Figura 6.9: Stabilizator cu tranzistor paralel N.B. Performanele din relaiile (6.8)-(6.13) snt valabile pentru mici abateri n jurul unui punct de funcionare, spre exemplu pentru zgomot mic sosit de pe alimentare sau pentru mici variaii ale curentului de sarcin. Att rezistena dinamic a diodei ct i parametrii h ai tranzistorului au fost definii n acest sens. Dac dorim caracterizarea stabilizatorului pentru un domeniu mai mare de variaie, este nevoie de o descriere neliniar (spre exemplu, caracteristica de sarcin din figura 6.3, care este neliniar).

6.3 Stabilizatoare liniare, cu reacie Ca i n cazul amplificatoarelor i oscilatoarelor, aplicarea reaciei negative mbuntete performanele: imunitate la perturbaii i stabilitate a parametrilor. Pentru simplitate, stabilizatorul poate fi vzut ca un amplificator, la care dorim ca mrimea de ieire s fie constant. Pentru aceasta, exist o mrime de intrare, numit referin, a crei valoare precizeaz ct dorim s fie valoarea mrimii de ieire. Rolul reaciei negative este de a asigura o relaie fixat ntre cele dou mrimi, imun la perturbaii i dispersie parametric. n topologia reaciei exist un comparator al mrimii de intrare cu mrimea de reacie, care are un nume specific n stabilizatoare: amplificator de eroare. De regul, mrimea de reacie este o fraciune din mrimea de ieire, divizat rezistiv, iar amplificatorul de eroare amplific diferena dintre referin i reacie. (n termenii sistemelor automate, amplificatorul de eroare joac rol de comparator i de regulator automat proporional.) ntruct stabilizarea are i un scop energetic (alimentarea sarcinii), este nevoie de un etaj de amplificare de putere, cel mai adesea fiind vorba de amplificare n curent. Acest etaj conine cel puin un tranzistor, montat n serie sau n paralel cu sarcina. Denumirea sa, specific stabilizatoarelor, este de element de control serie, respectiv element de control paralel. 6.3.1 Stabilizator cu element de control serie. Furnizarea referinei n figura 6.10a este prezentat o structur de principiu, dintre cele mai simple, pentru stabilizatorul de tensiune, cu amplificator de eroare i element de control serie. Pentru fixarea noiunii, trebuie reamintit c mrimea de referin servete scopul informaional al stabilizatorului (poate fi privit ca intrarea ntr-un amplificator), n timp ce tensiunea de alimentare servete doar scopului energetic. Din punct de vedere informaional, alimentarea este o surs de perturbaii.


Figura 6.10: Stabilizator de tensiune, cu element de control serie Pentru analiza stabilizatorului, se observ structura de reacie negativ, cu eantionare i comparare de tensiune. Bucla de reacie negativ se nchide prin amplificatorul de eroare, elementul de control serie i divizorul de reacie. Exist o singur inversare de faz n bucl, deci reacia este negativ. Pentru comparare este folosit structura consacrat, de amplificator diferenial. El va juca rolul de amplificator de eroare. Reacia negativ este furnizat de cuadripolul din figura 6.10b, soluie

clasic pentru amplificatoarele de tensiune. Factorul de reacie este cel cunoscut: 21

2RR

Rf += . Considernd c transmisia pe bucl este mare, rezult c amplificarea este inversa factorului de reacie, deci tensiunea nominal pe sarcin va fi:

)1(1

2

1RRU

fUU refrefs +== (6.14)

Aceeai relaie se putea deduce rapid, punnd condiia ca tensiunile de la intrrile amplificatorului operaional s fie egale (condiie ndeplinit datorit reaciei negative). Pentru evaluarea celorlalte performane, aproximm liniar funcionarea stabilizatorului (tot n jurul unui punct de funcionare), ca n circuitul echivalent de semnal mic, figura 6.10c. n aceast figur, generatorul de semnal Ua semnific perturbaia provenind de la alimentare. Rezult parametrii:

afhZhR

f

oio ++

+=1

11

(6.15)

)1)(1()(

1)1)(1(

||1||)(||1

21

1 afhZhh

h

afhZh

hRRR

UU

K foio

o

f

oi

os

a

s++

+++++

== , (6.16)

unde este impedana de ieire a amplificatorului operaional (fr reacie), iar transmisia pe bucl este foarte mare. Aa cum s-a mai prezentat, relaia (6.15) exprim performana de stabilizare n raport cu perturbaia de la sarcin, iar relaia (6.16) exprim performana de stabilizare n raport cu alimentarea. Valorile lor snt foarte bune, pentru stabilizatoarele uzuale. Spre exemplu, rezistene interne de ordinul zecilor de miliohm i factori de stabilizare de ordinul 1000 (adic variaii de 1mV/V, fa de alimentare) snt deja subnelese pentru orice fabricant serios de surse stabilizate.

oZ


Figura 6.11: Dou soluii pentru furnizarea referinei n evaluarea de mai sus s-a presupus c referina este o mrime constant, care provine de la un generator cu rezistena intern neglijabil. De regul, referina este o tensiune preluat prin divizare tot de la tensiunea de alimentare, stabilizat separat. Dac ea provine dintr-un stabilizator parametric (spre exemplu, cel folosit n figura 6.11a), tensiunea nominal pe sarcin va fi calculat conform cu (6.17), care provine din (6.14):

)1(2

1RRUU zs += (6.17)

Problema creat de aceast soluie este stabilizarea proast, n raport cu alimentarea. Coeficientul de stabilizare al referinei este K2 (din relaia (6.9)), iar coeficientul de stabilizare al ntregului circuit se recalculeaz. Se ine cont de faptul c perturbaia de la alimentare se propag att prin admitana de ieire a tranzistorului (efect evaluat n (6.16), prin K1), ct i prin stabilizatorul referinei, cu coeficient K2. Rezult:

fKfKKK

+= 221

1111 , 21

2)1(RR

RrRKz +

+= , (6.18) adic o stabilizare mai slab dect f.K2. (am considerat c fKK >> 21 , ceea ce se ntmpl de regul). Relaia (6.18) arat c este nerezonabil s folosim un stabilizator modest al referinei, pentru c el pierde ceea ce s-a ctigat prin efectul reaciei negative. n consecin, se va folosi un stabilizator foarte performant al referinei, ceea ce nu este dificil, avnd n vedere c el trebuie s livreze un curent foarte mic. Tot stabilizatorul referinei trebuie s asigure i dependena slab de temperatura ambiant. Soluia din figura 6.11b este mult mai avantajoas, pentru c stabilizatorul referinei se alimenteaz direct din tensiunea de ieire (gata stabilizat). Se observ c divizorul de reacie este adus la intrarea neinversoare a amplificatorului, ceea ce produce reacie pozitiv. Este corect aceast soluie? Rspunsul l d bucla care se nchide prin diod, care produce reacie negativ. Transmisia ei pe bucl este mai mare dect cea a buclei care se nchide prin divizor, deci predomin reacia negativ. Aceast proprietate se poate constata analitic, scriind expresia tensiunii de ieire:

BEszBEzsss URRRUUaUUU

RRRUaU +=+= )())(( 21

1

21

2 . (6.19)

Se observ c tensiunea de ieire este prezent i n termenul drept, unde are coeficient negativ, ceea ce nseamn c predomin reacia negativ. Prin mpire la a se obine:

)1(1

2RRUU zs += (6.20)


Punnd condiia ca tensiunile de la intrrile amplificatorului operaional s fie egale, se obine aceeai relaie (tiind c reacia este negativ). Rezistena intern este evaluat prin:

afhZhR

f

i++

+1

110 , (6.21)

n care f este factorul de reacie negativ al ntregii bucle (nu raportul de divizare al reaciei pozitive!), iar af este transmisia pe aceeai bucl. Pentru a verifica valoarea mare a transmisiei pe bucl, se calculeaz:

21

1

21

2RR

RaRR

RrR

Raafz +

++= . (6.22) Aceeai valoare o gsim n membrul drept al ecuaiei (6.19), unde este coeficientul tensiunii de ieire. Valoarea este ntr-adevr mare, dac se ine cont de amplificarea diferenial a AO, uzual peste 100.000. Schema din figura 6.11b genereaz o problem nou: pornirea stabilizatorului! Din cauz c tensiunea de ieire este proporional cu cea de referin, iar cea de referin se alimenteaz din ieire, este posibil ca schema s nu porneasc. Una dintre soluii este alimentarea stabilizatorului referinei din dou surse (tensiunea de ieire i tensiunea de alimentare), ponderea mai mare fiind a tensiunii de ieire. 6.3.2 Limitarea curentului. Problema puterii disipate i a randamentului Aa cum s-a menionat, este necesar ca stabilizatorul de tensiune s fie completat cu un circuit care mpiedic creterea curentului de sarcin, peste valoarea maxim admis. Schemele din figurile 6.12 i 6.13 corespund celor dou soluii prezentate n figurile 6.5b i 6.5c: limitare abrupt i limitare cu ntoarcere.

Figura 6.12: Soluie pentru limitare abrupt Figura 6.13: Soluie pentru limitare cu ntoarcere n amndou cazurile este necesar un traductor de curent de sarcin, reprezentat aici de untul nseriat cu sarcina. Semnalul de pe unt este folosit ntr-o bucl suplimentar de reacie negativ. Aceast bucl are transmisia mai mare dect prima, dar intr n funciune numai la depirea curentului. La limitarea de curent abrupt, tranzistorul T1 se deschide abia cnd tensiunea pe unt este suficient pentru polarizarea jonciunii sale baz-emitor. Curentul su de colector, determinat de caracteristica de transfer exponenial a tranzistorului, se absoarbe din ieirea AO, la un loc cu curentul de baz al T1. ntruct ieirea AO are o caracteristic scztoare, dincolo de curentul su nominal, tensiunea de comand a lui T1 scade, odat cu creterea curentului de colector al T2. Rezultatul este scderea


abrupt a tensiunii de sarcin. Curentul de sarcin maxim este determinat de rezistena untului i de tensiunea de deschidere a lui T2:

unts R

VI 7,0max_ (6.23) Circuitul suport scurtcircuitarea ieirii, dar T1 trebuie dimensionat corespunztor, deoarece puterea disipat n scurt poate fi de cteva ori mai mare dect cea disipat n regimul nominal. Valorile puterii disipate, n cele dou situaii, snt:

)(max suntasd UUUIP = , (6.24) respectiv )(max untasd UUIP = . (6.25)

Un exemplu numeric reprezentativ: alimentare la 24V, tensiune nominal pe sarcin de 15V i curent maxim de 1A. Puterea disipat n scurt este 23,3W, adic de 2,8 ori mai mare dect cea disipat n regim nominal, care este 8,3W. Analiza limitrii de curent cu ntoarcere descrie cele dou regimuri (stabilizarea tensiunii i ntoarcerea) prin ecuaiile (6.26) i (6.27). Cea de a doua exprim tensiunea pe jonciunea BE a lui T2, n ipoteza unui curent de baz neglijabil.

)1(2

1RRUU refs += (6.26)

suntsBE URRRUUU ++= 54

52 )( (6.27)

Cnd T2 este la limita de deschidere, are loc trecerea de la regimul de stabilizare la regimul de limitare, deci curentul prin sarcin este maxim. Rezult:

max_5

4

5

4

5

54 )1(6,0))(6,0( suntsssunt IRRRU

RRV

RRRVUUU =++=+++=

+++=5

4

2

1

5

4max_ )1()1(6,0

1RR

RRU

RRV

RI ref

unts (6.28)

Curentul de scurtcircuit se deduce din relaia 6.27, punnd condiiile ca T2 s fie deschis i tensiunea

pe sarcin nul: , 0=sU VURRRUU sunts 7,0)(

54

5 =++ , untsccunt RIU = . Rezult:

)1(7,0

5

4RR

RVI

untscc += (6.29)

Relund problema puterii disipate pe T1, aceasta trebuie exprimat analitic, pe poriunea de ntoarcere a caracteristicii:

suntsBE URRRUUU ++= 54

52 )(


unt

sBE

unt

unts R

RRU

RRU

RU

I 54

5

4 )1( ++==

))1()(()1(

)(5

45

4

5

4

RRUUU

RRRU

RRU

UUUIP BEsaunt

sBE

suntasd ++++

== (6.30) Ecuaia (6.30) este de gradul 2 n tensiunea de sarcin i se poate reprezenta grafic cu uurin. Folosind acelai exemplu numeric ca n cazul limitrii abrupte, ntr-o soluie tipic de stabilizator, se obin puteri de scurtcircuit de ordinul 8-9W i puteri maxime de ordinul 10W, ceea ce arat diferena fa de limitarea abrupt. Aa cum s-a artat, alegerea limitrii creaz o problem de putere disipat pe tranzistor. O alt problem, din aceeai categorie, este randamentul stabilizatorului. Acesta poate fi aproximat prin:

a

s

sa

ss

aa

ssUU

IUIU

IUIU =

= . (6.26)

n cazul de fa, randamentul pentru limitare abrupt este de cel mult 62,5%, iar cel pentru limitare cu ntoarcere are valoare apropiat (pentru regimul de stabilizare). n realitate, randamentul este mai mic, ntruct s-au neglijat curenii folosii n circuitele de semnal ale stabilizatorului. Valoarea de mai sus nu este ntmpltoare, ea este tipic pentru stabilizatoarele liniare. 6.3.3 Detalii de implementare Schemele din figurile 6.10 i 6.11 prezint doar principiul stabilizatorului. La proiectare, trebuie stabilite multe detalii, care privesc alimentarea, curentul maxim prin dispozitive, stabilitatea etc. Condensatorul pe ieire. Aa cum se vede n figurile 6.12, 6.13, productorii de circuite recomand montarea unui condensator n paralel cu sarcina. Capacitatea este de ordinul unitilor de , n funcie de puterea de ieire a stabilizatorului. Scopul lui nu este de filtrare, lucru de care ne putem convinge evalund reactana capacitiv la frecvena ondulaiilor care trebuie filtrate, de 100 Hz (am

presupus un redresor cu 2 pulsuri pe perioad). Pentru

F

F10=C se obine == 162

1fC

XC , mult mai mare dect rezistena intern a stabilizatorului. Scopul pentru care se monteaz acest condensator este evitarea oscilaiilor pe frecvene nalte. Oscilaiile snt determinate de amplificarea mare pe bucl i de defazajele care apar, la fecvene mari, n tranzistor i n AO. La frecvena la care suma acestor defazaje este 180 grade, reacia negativ s-a transformat n reacie pozitiv. Dac i amplificarea pe bucl este supraunitar, stabilizatorul va oscila pe acea frecven. Efectul adus de condensator este scurtcircuitarea ieirii, la frecvene mari, astfel nct amplificarea pe bucl s fie sub unitate. Acelai efect se mai obine i compensnd n frecven AO, adic limitnd amplificarea lui la frecvene mari (se va analiza la cursul de Circuite Integrate Analogice). n mod uzual, banda stabilizatorului este limitat la sute de Hz, n scopul asigurrii stabilitii. Pentru a obine acest efect, este important s alegem un condensator de compensare nenfurat, pentru ca efectul capacitii sale, la frecvene mari, s nu fie mascat de inductana proprie. Chiar dac se recomand utilizarea unui condensator de F5010 , care este electrolitic, n paralel cu el se monteaz ntotdeauna un condensator nenfurat, de F11,0 (de obicei, este n tehnologie multistrat).


Tranzistorul serie. Tranzistorul serie primete comanda de la amplificatorul de eroare. Amplificarea lui n curent trebuie s fie mai mare dect raportul dintre curentul maxim de sarcin i curentul maxim de la ieirea AO. Atunci cnd aceast cerin nu este satisfcut de un singur tranzistor, se folosesc tranzistoare compuse, a cror amplificare n curent este aproximativ produsul amplificrilor tranzistoarelor componente (vezi paragraful 2.2.6). Spre exemplu, pentru configuraiile din figura 6.14, 21 .

Figura 6.14: Tranzistoare compuse, pentru elementul de control serie al stabilizatorului Alimentarea AO. Pe de alt parte, alimentarea tranzistorului T1 n colector (figura 6.12 i altele asemntoare) nu este favorabil, din punctul de vedere al polarizrii AO i al randamentului. n cazul n spe, tensiunea de ieire a AO trebuie s fie mai mare dect cea din colectorul tranzistorului (pentru ca acesta s nu se satureze), dar s nu fie mult mai mare, pentru c determin disipaie inutil pe tranzistor, deci scderea randamentului. Cum AO necesit tensiune de alimentare cu 2-3V mai mare dect cea din ieirea sa, rezult c cei 2-3V vor ncrca inutil tranzistorul. Din acest motiv, se prefer plasarea emitorului lui T1 la tensiunea de alimentare, care permite comanda ca n figura 6.15. Tensiunea de ieire a AO poate acum s fie mic, ca i tensiunea lui de alimentare. Evident, intrrile AO au fost permutate, pentru a menine reacia negativ. Este adevrat c ieirea spre sarcin prin colectorul lui T1 nu este favorabil unei rezistene de ieire mici, dar transmisia mare de pe bucl corecteaz acest neajuns.

Figura 6.15: Soluie alternativ pentru tranzistorul serie Varierea tensiunii de sarcin. O alt problem care trebuie rezolvat este modificarea tensiunii de ieire i a limitei de curent. Pentru reglaj n limite mici, soluia din figura 6.16a este foarte convenabil. Ajustarea divizorului de reacie ne scutete de realizarea unei tensiuni de referin reglabile. Dac ns este necesar varierea tensiunii de sarcin ncepnd de la 0, se va folosi o surs de referin ajustabil, ca n figura 6.16b. Mai mult, AO nu funcioneaz atunci cnd intrrile lui snt la acelai potenial cu alimentarea, ceea ce impune folosirea a nc unei tensiuni de alimentare pentru AO, alimentarea negativ.


Figura 6.16: Ajustarea tensiunii de sarcin Varierea limitei de curent. De regul, ajustarea n limite largi a limitei de curent este necesar n cazul limitrii abrupte, n aparate de laborator. Limitarea cu ntoarcere este destinat sarcinilor cunoscute i fixate, deci care nu mai au nevoie dect de ajustri mici, la punerea n funciune. Ajustarea limitei prin modificarea rezistenei de unt nu este o soluie viabil, din cauza construciei mecanice a untului. Ca urmare, se folosete o soluie mai comod: tensiunea pe unt se compar cu cea limit ntr-un amplificator separat, realizat cu AO. n acest fel, caracteristica devine foarte abrupt (limitarea foarte exact a curentului). Stabilizatoare integrate. n scopul reducerii spaiului ocupat pe cablaj, ca i al preului circuitului, fabricanii au nglobat n acelai circuit integrat mai multe componente ale stabilizatorului. Un alt avantaj oferit de circuitul integrat este integrarea simultan a mai multor tranzistoare, care ofer posibilitatea micorrii dispersiei parametrice i a dependenei de temperatur. Circuitul din figura 6.17a (A723) este o soluie comod pentru multe aplicaii, pentru c nglobeaz amplificatorul de eroare, referina, tranzistorul serie i tranzistorul pentru limitare de curent. Un stabilizator cu puine componente externe, realizat cu A723, este cel din figura 6.18. Dac curentul prin sarcin sau tensiunea maxim de alimentare depesc posibilitile circuitului, atunci mai trebuie adugate componente n exterior, dar soluia rmne avantajoas, fa de utilizarea componentelor separate. Pentru multe tensiuni de alimentare uzuale (5V, 12V, 15V .a.), fabricanii au integrat toate componentele ntr-o capsul, care a devenit stabilizator integrat cu 3 terminale. Structura intern simplificat este prezentat n figura 6.17b. Schema de utilizare a stabilizatorului este cea din figura 6.19a. Dac circuitul are consum intern de curent foarte mic, el poate fi folosit i pentru tensiune de

sarcin reglabil, mai mare dect tensiunea nominal, ca n figura 6.19b, n care )1(1

2RRUU ns += .

Figura 6.17: Stabilizatoare liniare integrate


Figura 6.18: Stabilizator liniar cu A723

Figura 6.19: Stabilizatoare cu trei terminale Stabilizatoare de tensiune negativ. Exemplele prezentate n acest capitol au avut n vedere tensiuni pozitive de sarcin, n raport cu terminalul comun. Furnizarea de tensiuni negative nu ridic nici un fel de problem de principiu, toate rezultatele deduse mai sus se aplic fr modificare. Din punct de vedere practic, schemele se modific astfel: se schimb orientarea sursei de alimentare nestabilizate, se schimb tipurile tranzistoarelor pnp i npn ntre ele, se schimb orientarea alimentrii AO i sensul diodelor Zener. Dac sursa folosete un stabilizator integrat, de tipul lui A723, trebuie modificat i modul de alimentare al integratului (de regul, fabricantul ofer soluiile tipice de configurare, n catalog). Stabilizatoare duale. Atunci cnd snt necesare dou surse de alimentare simetrice, nu se construiesc dou surse cu referinele separate, ci se imprim uneia dintre ele regimul de urmrire. Tensiunea sa de ieire va fi simetricul celeilalte. O soluie posibil este cea din figura 6.20, n care stabilizatorul de tensiune pozitiv poate fi realizat n orice variant, n timp ce stabilizatorul de tensiune negativ folosete ca referin cealalt tensiune de ieire. El funcioneaz n regimul de amplificator inversor, ca cel descris n subcapitolul 2.4. Relaia care stabilete tensiunea de ieire negativ este:

11

22 UR

RU = (6.27)

Figura 6.20: Stabilizator dual


Concluzii: Stabilizatoarele liniare cu reacie au proprieti foarte bune de stabilizare, inclusiv proprietile de regim dinamic. Riplul pe sarcin este mic, iar procesul tranzitoriu este rapid i fr depiri mari. Schema nu este complicat. Problema cea mai suprtoare a stabilizatoarelor liniare este randamentul (40-80%, n funcie de limitele perturbaiilor).

6.4 Stabilizatoare n comutaie Scheme analizate n subcapitolul precedent au un nejuns semnificativ: randamentul sczut. Aceasta nseamn nu numai consum mai mare de energie, ci i nclzirea componentelor, care snt mai scumpe, mai mari, necesit radiator i ventilarea circuitului. O soluie mai bun, din punct de vedere al randamentului, snt sursele stabilizate numite n comutaie (sau chopper). mbuntirea esenial, n aceast categorie de circuite, este faptul c dispozitivele de putere lucreaz n comutaie (clas de funcionare D). Ele nu disip putere semnificativ cnd snt n conducie (pentru c tensiunea pe ele este foarte mic) i nu disip de loc cnd snt blocate (curentul este nul). n principiu, stabilizatorul pstreaz structura general de circuit cu reacie negativ, dar elementul de control serie este nlocuit cu un circuit mai complicat, care are acelai rol, dar randament mai bun. Structura general este cea din figura 6.21.

Figura 6.21: Structura stabilizatorului n comutaie ntruct dispozitivele lucreaz n comutaie iar tensiunea pe sarcin trebuie s fie neted, devine necesar ca circuitul de putere s conin elemente reactive, care nmagazineaz energie i care joac rolul de filtru. Spre deosebire de condensatorul Cs din figura 6.18 (i toate cele similare), care are rol antioscilaie (nu de filtrare), la stabilizatoarele n comutaie exist ntotdeauna reactane cu rol de filtru. Un alt avantaj important al stabilizatoarelor n comutaie este faptul c dimensiunile filtrelor i ale transformatoarelor snt sensibil mai mici dect cele ale elementelor omologe din stabilizatoarele liniare, alimentate de la reea. Motivul este frecvena de comutaie, mult mai mare dect cea a reelei. Frecvenele uzuale de comutaie se ntind de la civa kHz (pentru puteri mari) la 1 MHz (pentru puteri mai mici). Din punctul de vedere al circuitului de comutaie, exist trei variante de realizare: - cu capaciti comutate (puteri mici i foarte mici, sub 1 W) - cu variator de c.c. (puteri mici i mijlocii, 0,1 W 100 W) - cu invertor autonom (puteri mijlocii i mari, 5W 1000 W) Toate sursele de calculator personal (400 W) snt din ultima categorie, n timp ce sursele din telefoanele celulare fac parte din primele dou categorii. Stabilizatoare cu variator de c.c. Principiul variatorului de c.c., care lucreaz ciclic, poate fi descris astfel: ntr-un interval se preia energie de la sursa de alimentare i se depoziteaz ntr-o reactan, iar n intervalul urmtor aceast reactan transmite energie sarcinii. Dac sarcina nu este niciodat cuplat direct la alimentare, atunci este necesar prezena unei a doua reactane, care alimenteaz sarcina. Dac sarcina este cuplat la alimentare simultan cu prima reactan, atunci cea de a doua nu este obligatorie.


Pentru ilustrarea principiului, n figura 6.22a este prezentat un variator de c.c., de tipul cobortor de tensiune (step-down). ntreruptorul K este un tranzistor de comutaie (bipolar sau MOS), dar a fost nlocuit n desen prin funcia pe care o ndeplinete. Pentru simplitatea analizei, presupunem nti c nu exist condensatorul C. Diagramele de timp pentru curentul prin bobin i tensiunea pe diod snt prezentate n figura 6.22b, n regim periodic (tensiunea pe sarcin este proporional cu curentul prin bobin). n primul interval, ntreruptorul K este nchis, bobina i sarcina primesc energie de la sursa de alimentare, curentul prin bobin crete. n al doilea interval, ntreruptorul K este deschis, dar continu s curg curent prin bobin, pe seama energiei nmagazinate. Curentul se nchide prin sarcin i diod (tensiunea pe catod devine negativ, sub efectul tensiunii de autoinducie). Energia din bobin se transfer spre sarcin, iar curentul scade. Se observ c prezena condensatorului nu este obligatorie, bobina asigur curent nentrerupt prin sarcin.

Figura 6.22: Stabilizator de tensiune cu variator step-down Dou mrimi importante pentru funcionarea variatorului trebuie evaluate: tensiunea medie pe sarcin i ondulaia. Prima mrime pune n eviden posibilitatea de comand a variatorului, n timp ce a doua pune n eviden calitatea tensiunii pe sarcin. Se noteaz intervalul de cretere a curentului (K este nchis) i intervalul cnd K este

deschis. Se mai noteaz

onT offT

offon

onTT

T+= , numit factor de umplere. Se observ c circuitul RL

acioneaz ca un filtru trece jos, deci tensiunea medie pe sarcin va fi media tensiunii u1. Pentru simplitate, se neglijeaz cderile de tensiune pe ntreruptor, pe diod, pe rezistena de pierderi a bobinei, i rezult:

EU s . (6.28) Aceast relaie arat c tensiunea medie pe sarcin poate fi comandat prin factorul de umplere i c tensiunea de alimentare este o perturbaie important. Dei curentul de sarcin nu intervine, se poate deduce c i el este un factor perturbator, dac inem cont de cderile de tensiune neglijate mai sus, care snt proporionale cu curentul.

n privina factorului de ondulaie, se noteaz ( offonoffon TTL rRTT ++= )+= (raportul dintre perioada comutaiei i constanta de timp a circuitului) i rezult:

( = ) 1s

sUu

(6.29)

Aceast relaie arat c ondulaia scade dac: - crete frecvena de comutaie - crete constanta de timp a circuitului RL.


Amndou metodele de scdere a ondulaiei prezint limitri: - prin creterea frecvenei de comutaie, crete i puterea disipat pe dispozitive (componenta cea

mai important a puterii disipate este proporional cu frecvena comutaiei) - prin creterea constantei de timp a circuitului, crete proporional durata proceselor tranzitorii, pe

care le dorim rapide. Dei nu este obligatorie, prezena condensatorului C este folositoare. Filtrul RLC este de ordinul 2, i produce ondulaie mai mic, fr s lungeasc procesele tranzitorii. Valoarea ondulaiei pentru filtru LC:

( ) ( +== 18

)(1

81 22

LCTT

Uu offons

s ) (6.30) Forma tensiunii pe sarcin este mult mai bine filtrat dect n cazul fr condensator. Un exemplu numeric pentru calculul factorului de ondulaie: frecvena de comutaie 20 kHz,

constanta de timp 2,0=LC ms, factorul de umplere %50= , conduc la valoarea: %4,0=s

sUu .

n realitate, rezultatul este cam optimist, ntruct au fost neglijate toate efectele parazite, dar reprezint o estimare acceptabil. Se vede c, pentru o tensiune de sarcin de 10V, tensiunea de ondulaie este de 40mV, valoare normal pentru un stabilizator n comutaie bun. Revenind la funcia de stabilizare, este evident c este necesar un circuit care s transforme tensiunea de comand, dat de amplificatorul de eroare, n impulsuri de comand ale tranzistorului de comutaie, cu factorul de umplere . Acest circuit se numete modulator n factor de umplere (sau modulator n durat a impulsurilor, Pulse Width Modulator) i a fost reprezentat n figura 6.23a n cea mai simpl variant a sa. Modularea const n compararea tensiunii de comand cu un semnal triunghiular (figura 6.23b), astfel nct ieirea s fie un tren de impulsuri, cu factorul de umplere proporional cu tensiunea de comand uc. Frecvena semnalului triunghiular este chiar frecvena de comutaie. Amplitudinea impulsurilor nu are nici o relevan, atta vreme ct este suficient pentru comanda n comutaie a tranzistorului. Semnele la comparator au fost alese astfel nct reacia s fie negativ.

Figura 6.23: Stabilizator cu variator step-down Ca i n cazul stabilizatoarelor liniare, exist o gam larg de circuite integrate, dedicate comenzii variatoarelor din stabilizatoare. Ele folosesc i alte variante de modulare, n funcie de performanele dorite. Un exemplu de circuit specializat n comanda stabilizatorului n comutaie este cel din figura 6.24 (SG3524), care cuprinde: referin, amplificator de eroare, limitator de curent, oscilator de semnal triunghiular, modulator, dou tranzistoare de ieire i circuit de protecie


mpotriva scderii tensiunii de alimentare. Nu necesit alt component extern dect un condensator, prin care se stabilete frecvena de comutaie. Se observ c el rezolv probleme de comand, de reglarea tensiunii i de protecie.

Figura 6.24: Circuit de comand a stabilizatorului n comutaie Un exemplu de stabilizator integrat, cu variator de c.c. este cel din figura 6.25 (schema recomandat de productor). Semnalele snt cele din figura 6.22, dar cu tensiunea de ieire mai bine filtrat.

Figura 6.25: Stabilizator integrat cu variator de c.c. Alte variatoare folosite n sursele n comutaie snt cele din figura 6.26: ridictor de tensiune (step-up) i inversor de semn (inverter). La aceste variatoare, sarcina nu este niciodat conectat direct la sursa de alimentare. Din acest motiv, condensatorul C este obligatoriu, dac dorim tensiune nentrerupt pe sarcin.

Figura 6.26: Alte variatoare de c.c.


Stabilizatoare cu invertor autonom. Diferena important ntre invertoare i variatoare de c.c. este aceea c primele creaz tensiune alternativ, capabil s fie transmis prin transformator. Exemplul din figura 6.27 este foarte frecvent folosit n acionarea motoarelor de c.c., n alimentarea cu tensiune alternativ, dar i n stabilizatoare. Din cauza configuraiei, se mai numete i punte n H. Tensiunea din secundar este redresat i filtrat cu un circuit identic cu variatorul de c.c. Tranzistoarele comut n perechi, n antifaz, aa cum arat fazele semnalelor de comand (desenate n faa bazelor). ntre intervalele de conducie, exist ntotdeauna un interval de pauz, n care nici un tranzistor nu conduce, numit timp mort. El mpiedic conducia accidental a unui curent din surs prin dou tranzistoare din aceeai latur. Formele de und (aproximative) ale semnalelor de comand din invertor i a tensiunii pe primar snt desenate n figura 6.28. Media tensiunii pe sarcin este proporional cu factorul de umplere al comenzii tranzistoarelor din invertor. Ca urmare, stabilizarea tensiunii se obine tot prin comanda n factor de umplere (PWM), ca la variatorul de c.c.. Circuitul din figura 6.24 este adecvat i pentru comanda invertorului. El include generarea de timp mort i comanda n antifaz, specifice invertorului (nu erau necesare variatorului de c.c.). Sursele de calculator folosesc tot un stabilizator cu invertor autonom, dar n care lucreaz doar dou tranzistoare, ca cel din figura 6.29.

Figura 6.27: Invertor autonom (punte n H) Figura 6.28: Semnalele din invertor

Figura 6.29: Invertor cu jumtate de punte Stabilizatoare cu capaciti comutate. Principiul circuitului de comutaie este transferul energiei ntre alimentare i sarcin, prin intermediul unor condensatoare. Circuitul se mai numete pomp de sarcin (se subnelege sarcina electric din condensator). Un exemplu sugestiv este cel din figura 6.29, care realizeaz funciunea de dublor de tensiune. Sub comanda oscilatorului intern, comutatoarele cupleaz condensatorul intermediar C1, n mod alternativ, la alimentare i la sarcin. n primul interval el se ncarc, n al doilea interval transmite energie ctre sarcin, fiind legat n serie cu C2. n afar de condensatorul C1, se observ c este absolut necesar condensatorul C2. n toate circuitele cu capaciti comutate, acest condensator este prezent, dac dorim tensiune nentrerupt pe sarcin (ceea ce este valabil ntotdeauna). Fiind vorba de puteri mici, fabricanii au


integrat toate componentele circuitului (interiorul liniei ntrerupte din figura 6.30), mai puin condensatoarele. n aceleai circuite este integrat i partea de stabilizare (referin, reacie, amplificator de eroare, comanda circuitului de comutaie). Frecvene de comutaie uzuale snt cuprinse ntre 3 kHz i 500 kHz. Evaluarea ondulaiei pe sarcin, pentru circuitul lucrnd fr reacie, este foarte simpl. Spre exemplu, pentru un factor de umplere al comenzii de 50%, se aproximeaz curentul de sarcin cu o constant i rezult c ondulaia tensiunii de sarcin este aproximativ egal cu descrcarea celor dou condensatoare, n jumtate de perioad.

e

sss fC

IC

tIu2

= , unde f este frecvena comutaiei iar Ce este capacitatea echivalent a celor dou condensatoare. Dac ele au capaciti egale, atunci:

fCIu ss . (6.31)

Figura 6.30: Dublor de tensiune, cu capaciti comutate Pentru a obine funcia de stabilizare, este obligatoriu s existe un procedeu prin care tensiunea de comand, produs de amplificatorul de eroare, s modifice energia medie transferat n unitatea de timp. Spre deosebire de variatorul de c.c. i de invertorul autonom, la convertoarele cu capaciti comutate se prefer alte variante de modulare a comenzii. Un exemplu: strategia de comand folosete o caracteristic de histerezis, la fel cu cele prezentate n subcapitolul 4.6. Factorul de umplere al comenzii este meninut la o valoare constant (exemplu: 50%), pn cnd tensiunea medie pe sarcin depete pragul de sus, puin mai mare dect valoarea nominal, apoi comanda este suspendat, pn cnd tensiunea medie pe sarcin scade sub pragul de jos. Valoarea nominal este ntre cele dou praguri. Tensiunea pe sarcin variaz mereu ntre cele dou praguri (figura 6.31). Tensiunea de ondulaie pe sarcin este egal cu diferena dintre praguri plus valoarea dedus n relaia (6.31).

Figura 6.31: Stabilizatorul cu capaciti comutate: tensiunea pe sarcin, comanda cu histerezis


cef-stabilizatoare electronice

Documents