I. CIRCUITE REDRESOARE, STABILIZATOARE DE TENSIUNE ŞI ALIMENTATOARE REGLABILE

1. Introducere

Alimentarea în curent continuu (d.c.) necesară circuitelor electronice poate fi luată de la baterii (acumulatori, pile ...) sau obţinută prin redresare şi eventuala stabilizare, de la reţeaua de curent alternativ (a.c.). Bateriile au avantajul portabilităţii şi absenţa totală a componentelor de curent alternativ (a.c.) la ieşire; iar ca un dezavantaj putem semnala pericolul de coroziune cauzat de prezenta unor baterii uzate în aparatura electronică.

Acumulatoarele de nichel-cadmiu sunt disponibile acum într-un domeniu enorm de tensiuni, curenţi şi mărimi (dimensiuni). Acestea sunt o sursă ideală de putere pentru echipamentul electronic. Alimentatorul pentru reâncărcare, este incorporat alături de acumulatori în echipament permiţând funcţionarea direct de la reţea sau independent, pe baterii.

Tensiunea electromotoare a unei celule cu nichel-cadmiu cade de la 1,3V la 1,1V în domeniul normal de descărcare.

Capacitatea unei baterii (acumulator) este uzual exprimată în amperi-oră (AH), care este produsul curentului de descărcare şi al timpului pentru care respectiva baterie va furniza acel curent. Întrucât capacitatea multor baterii este mai mare la curenţi mici de sarcină decât la curenţi mari, rata normală de descărcare este marcată alături de capacitatea sa. 2. Redresarea tensiunilor alternative (a.c.)

În majoritatea alimentatoarelor se foloseşte un transformator coborâtor de tensiune pentru a obţine tensiunea corespunzătoare, tensiune care apoi este: redresată, filtrată şi stabilizată conform cerinţelor impuse de instalaţia (aparatura) alimentată.

Circuite simple de redresare sunt prezentate în Fig.1: 1. redresor mono-alternanţă cu diodă redresoare 2. redresor dubla-alternanţă cu două diode 3. redresor dubla-alternanţă cu punte de diode

Pentru circuitul din Fig.1b. transformatorul coborâtor de tensiune prezintă o înfăşurare dublă (cu priză mediană) astfel că tensiunile OA şi OB sunt întotdeauna defazate cu 180° (circuitul se mai numeşte redresor bifază cu dublă alternanţă).

a) b) c)

Fig.1. Circuite simple de redresare

1

3. Filtrarea (netezirea) şi tensiunea de ondulaţie (ripple) Tensiunea rezultată din redresarea (mono-alternanţă sau bi-alternanţă) tensiunii

a.c. urmează să fie filtrată pentru a putea fi utilizată la alimentarea montajelor electronice.

Pentru filtrarea tensiunii continue (d.c.) se conectează un condensator C la bornele redresorului. Valoarea condensatorului C utilizat în circuite cu frecvenţa de 50Hz poate varia în domeniul 100µF ÷30.000µF, depinzând de curentul în sarcină şi gradul de filtraj cerut.

În cazul în care curentul prin sarcină este nul, condensatorul C se încarcă la valoarea de vârf Vp= √2r.m.s. (valoarea de vârf a tensiunii a.c. de intrare).

O valoare finită I (prin sarcină) face ca tensiunea pe condensator să cadă cu o valoare să zicem ∆V, în timpul unui ciclu al tensiuni a.c. Astfel apare o tensiune a.c. de formă aproximativ triunghiulară: ondulaţie (ripple), care poate fi văzută în Fig.2., suprapusă peste tensiunea d.c. la bornele sursei.

Vp

Vp Vdc

Încărcare - Descărcare Redresare bialternanţă

Redresare monoalternanţă Perioada T

Fig.2. Formele de undă la bornele condensatorului C

Valoarea vârf la vârf a tensiunii de ondulaţie (ripple) este egală cu căderea de tensiune ∆V de pe condensator în timpul unui ciclu, care poate fi calculată considerând rata de descărcare.

Pentru acest calcul vom neglija timpul de încărcare al condensatorului şi vom considera că descărcarea durează timpul T (perioada tensiunii a.c.). Aceasta aproximaţie este buna dacă ondulaţia este mică în raport cu tensiunea d.c. de ieşire. Sarcina care părăseşte condensatorul C, în timp de o perioada a tensiunii a.c., este dată de: ∆Q = I T unde I este curentul mediu în sarcină.

Variaţia de tensiune la bornele condensatorului şi deci valoarea vârf la vârf a ondulaţiei este:

∆V = I T / C ∆V = I / Cf

2

unde se ia I(amperi) , T(secunde) , C(farad) , f(hertz) şi deci ∆V (volţi). Variaţia tensiunilor pe condensator pentru un redresor dubla-alternanţă şi pentru

unul mono-alternanţă este prezentată în Fig.2, unde: Vp este tensiunea de vârf (≡ cu valoarea de vârf a tensiunii a.c. de intrare), Vd.c.. este tensiunea de ieşire d.c. şi Vp-Vd.c.. este valoarea medie a ondulaţiei (care pentru o undă triunghiulară este jumătate din valoarea vârf la vârf).

Astfel valoarea medie a tensiunii de ieşire este: Vd.c..≈ Vp - I / (2Cf) (la redresor mono-alternanţă) (1) Vd.c..≈ Vp- I / (Cf) (la redresor dubla-alternanţă) (2)

Deci se poate vedea că rămâne o tensiune de ondulaţie (ripple) chiar în prezenţa unui condensator de filtraj C aplicat imediat după dispozitivul de redresare.

Pentru majoritatea scopurilor, ondulaţia poate fi redusă prin introducerea unui filtru trece-jos cum este cel din Fig.3. Am arătat că forma de undă a ondulaţiei este triunghiulară dar poate fi tratată cu teoria curentului alternativ dacă o consideram că având o frecvenţă fundamentală şi mai multe armonici. Componenta spectrala exactă poate fi găsită prin analiza Fourier, dar nu este necesară pentru calculele noastre.

Fig.3 Filtru trece-jos Fig.4 Potenţiometru

Fig.5 Stabilizator cu Zener

Se pune problema unei bune atenuări a fundamentalei (50 Hz.- redresor mono-

alternanţă şi respectiv 100 Hz. - redresor dubla-alternanţă) şi astfel şi armonicele, de frecvenţe mai înalte vor fi bine atenuate: Vond = Vr(1/jωC) / [R+(1/jωC)]

3

în majoritatea cazurilor avem R >> 1/ωC şi deci: Vond= Vr(1/jωC) / R |Vond| = Vr / ωRC (3)

Întrucât prezenţa rezistenţei "R" duce la creşterea rezistenţei de ieşire a redresorului şi astfel la degradarea parametrilor acestuia, de multe ori se preferă înlocuirea acestei rezistenţe R cu o inductanţă L. În aceste condiţii calcule similare conduc la: |Vond| = Vr / ω2LC

4. Alimentatoare cu tensiune reglabilă

În electronica experimentală, o sursă cu tensiune reglabilă este o piesă foarte utilă a echipamentului. Cea mai simplă cale de a obţine o tensiune reglabilă este folosirea unui potenţiometru (Fig.4a). Potenţiometrul poate fi reglat pentru orice tensiune de ieşire, dar are un dezavantaj major: prezenţa sa duce la creşterea rezistenţei de ieşire a sursei şi astfel reglajul pe sarcină este foarte prost. Situaţia poate fi mult îmbunătăţită folosind proprietăţile unui tranzistor (sau pereche Darlington) în regim de repetor pe emiter (Fig.4b), prezenţa acestuia reducând mult rezistenţa de ieşire.

Spre exemplu dacă rezistenţa de ieşire a potenţiometrului de 10KΩ este de 2KΩ, aceasta va fi divizată de produsul câştigurilor de curent (la montaj Darlington, ex: 200 pentru BC107 şi 50 pentru BD237):

Ries = 2000 / (200*50) = 1/5 Ω Factori de limitare practică a rezistenţei de ieşire sunt: rezistenţa de emiter a

tranzistorului şi rezistenţa internă a sursei. 5. Stabilizatoare de tensiune

Gradul de stabilizare de tensiune produs de un circuit particular poate fi specificat prin "raportul de stabilizare"= RS care se obţine măsurând procentul modificării tensiunii de ieşire produs de un procent în modificarea tensiunii de intrare:

iesire de eaîn tensiun amodificare00

intrare de eaîn tensiun amodificare00

RSestabilizar deraport ≡≡

Un stabilizator cu dioda Zener (Fig.5, K pe 1) uzual produce o stabilizare între 5÷20, pe când un stabilizator cu circuit integrat (Fig.6) produce o stabilizare de ordinul 1000. Un termen alternativ care defineşte gradul de stabilizare este "reglajul de intrare (de linie)":

00100*

intrare de eaîn tensiun amodificareiesire de eaîn tensiun amodificareRLlinie de reglajul ≡≡

O valoare tipică pentru RL pentru un stabilizator bun de tensiune este 0,01%.

Putem acum să definim RL că modificarea în procente a tensiunii de ieşire pentru o modificare dată în procente, a tensiunii de intrare. Dacă această definiţie este specificată pentru 10% modificare în tensiunea de intrare, cum se face uzual, atunci reglajul de linie RL se poate corela cu raportul de stabilizare RS prin:

reglajul de linie = RL = (10 / RS) % (4)

4

5

Dioda Zener nu este, bineînţeles, un stabilizator perfect datorită rezistenţei sale interne. Se poate vedea Fig.5b că curentul total I absorbit de la sursă este divizat în doua: IZ (prin dioda Zener) şi IS (prin rezistenţa de sarcină). Curentul total I poate fi calculat din legea lui Ohm:

I = (Vin – Vieş) / R şi întrucât Vieş ≈ VZ (rS este mic în raport cu R):

I ≈ (Vin – VZ) / R Pentru un circuit particular, această relaţie implică faptul că dacă IS creşte IZ scade

şi deci circuitul trebuie astfel proiectat ca dioda să rămână la curenţi mici IZ în regim de efect Zener, iar pentru IS=0 => I=IZ nu trebuie depăşită puterea disipată maxim admisă pentru dioda Zener în cauză.

a) Avem în cazul IS=0 (fără sarcină; mers în gol): Pmax = VZ IZ = VZ I VZ = 12V I= (Vin – VZ) / R = (20-6,8)/1000 = 13,2mA Pmax = VZ I = 6,8*13,2 ≈ 90 mW

b) Cu Vin=20V calculăm curentul maxim în sarcină. Din prima lege a lui Kirchhoff curentul de intrare este I = IL + IZ . Dar am văzut că I=13.2mA , iar pentru o dioda Zener de mică putere IZ ≥ 5mA . Atunci curentul maxim prin sarcină va fi:

IL = 13,2 - 5 ≈ 8mA Pentru a găsi efectul lui rS, căutam modificarea lui IZ datorită descreşterii tensiunii

de intrare. Fără sarcină pentru Vin=20V am avut IZ=13,2mA. Acum fără sarcină şi Vin = 10V avem:

( ) ( ) mARVV

II IN 2,31000

8,61077 =

−=

−==

Pentru această cădere în IZ de la 13,2mA la 3,2mA cu rS=20Ω căderea de tensiune la ieşire va fi:

( ) VVies 2,01000

2,32,1320=

−=

Acest lucru ilustrează efectul de stabilizare al diodei Zener. O descreştere de 50% în tensiunea de intrare produce o variaţie doar de 0,2V la ieşire, care este echivalent cu (0,2/6,8)100, aproximativ 3%; raport de stabilizare 50/3≅16,6.

Fig.6 Stabilizator cu circuit integrat Fig.7 Stabilizator cu amplificator de eroare

Dacă curentul în sarcină creşte cu 5mA, curentul Zener va descreşte cu 5mA: Vies = (5/1000) rs = 0,1V

Dacă sunt necesari curenţi mai mari: 1) se poate reduce rezistenţa serie (fără a depăşi puterea pe diodă)

2) se adaugă un repetor pe emitor şi astfel curentul de ieşire prin câştigul în curent al tranzistorului.

În Fig.5a se prezintă circuitul stabilizator la care se poate cupla prin comutatorul K un tranzistor de tip BD247. Curentul maxim disponibil este practic limitat de puterea disipată pe acest tranzistor.

6. Stabilizare şi reducerea ondulaţiei

Folosirea stabilizatoarelor de tensiune are un efect benefic ducând la reducerea ondulaţiilor, care nu este altceva decât o tensiune alternativă rapid variabilă ce va fi stabilzată.

Stabilizarea poate fi îmbunătăţită prin introducerea în circuit a unui amplificator care compară tensiunea de referinţa de pe dioda Zener cu o fracţiune din tensiunea de ieşire (Fig.7). Întrucât curentul Zener este independent de curentul prin sarcină, stabilizarea în raport cu variaţiile de curent prin sarcină poate fi foarte bună. 7. Modul de lucru

Schema bloc a lanţului de măsură este prezentată în Fig.8. Blocul de lucru permite cuplarea diverselor module până la un număr de patru module (unul vertical şi trei orizontale). Cu comutatorul K se poate cupla ieşirea la un osciloscop sau voltmetru pentru a vizualiza sau măsura tensiunea de intrare şi respectiv de ieşire a modulelor.

K

Vies

220V2K1

VoltmetruOsciloscop

Primul modul (cu sistem de montare vertical) conţine o diodă redresoare (pentru redresare mono-alternanţă) sau o punte redresoare (redresoare dublă-alternanţă). Restul modulelor sunt montajele din figurile: 3,4,5,6 şi 7.

Se cuplează modulele necesare pentru: 1) vizualizarea tensiunii redresate mono-alternanţă: cu şi fără filtru; 2) vizualizarea tensiunii redresate bi-alternanţă: cu şi fără filtru; 3) se studiază efectul de filtraj în prezenţa unei sarcini (Rs=2K2, 470Ω, 270Ω); 4) se măsoară Vd.c. şi se compară cu valoarea calculată din relaţia (2); 5) se măsoară rezistenţa de ieşire pentru circuitul regulator din Fig.4; 6) se calculează parametrii de stabilizare pentru circuitele din Fig.5 şi 7; 7) se ridică caracteristica IR = f(Vin) (din Vin, Vieş şi R se calculează I) pentru circuitul cu dioda Zener, se reprezintă grafic şi se determină rs .

6