stabilizatoare integrate si aplicatiile acestora

STABILIZATOARE INTEGRATESTABILIZATOARE INTEGRATEStabilizatoarele de tensiune realizate cu circuite integrate

analogice pot fi liniare (cu AO sau cu circuite integrate specializate) sau în comutaŃie si au rolul de a furniza la iesire o tensiune cat mai constanta cu variatia temperaturii, valorii sarcinii sau a variatiei tensiunii de alimentare nestabilizate.

În structura unui astfel de circuit există un stabilizator cu reacŃie şi un element de control serie. FuncŃionarea se bazează pe utilizarea unei scheme de amplificator cu reacŃie negativă.

Tensiunea de ieşire se menŃine constantă printr-un proces de reglare automată, la care tensiunea de ieşire sau o fracŃiunedin ea se compară in permanenta cu o tensiune de referinŃă.

Semnalul diferenŃă rezultat in urma acestei comparari, numit şi semnal de eroare, este amplificat şi comandă elementul de reglare a tensiunii de ieşire pentru a restabili valoarea prescrisă.

Parametrii stabilizatoarelor (1)� coeficientul de stabilizare cu tensiunea de intrare (line regulation), KU - reprezintă o măsură a capacităŃii stabilizatorului de a menŃine valoarea prescrisă a tensiunii de ieşire în condiŃiile modificării tensiunii de intrare (de alimentare):

� rejecŃia ondulaŃiilor, RRR (ripple rejection ratio) oferă informaŃie despre mărimea ondulaŃiilor (uzual la 100Hz) care ajung pe sarcină. RelaŃia de definire este:

UO reprezintă variaŃia tensiunii de ieşire datorată variaŃiei tensiunii de intrare nestabilizate UI. Se exprimă în mV/V sau µV/V

UrO este ondulaŃia de la ieşire (amplitudinea)ca rezultat al ondulaŃiei de la intrare(amplitudinea) - UrI.

Se exprimă în dB.

Parametrii stabilizatoarelor (2)Parametrii stabilizatoarelor (2)

� coeficientul de stabilizare cu sarcina (load regulation), KL

reprezintă o măsură a capacităŃii stabilizatorului de a menŃine valoarea prescrisă a tensiunii de ieşire în condiŃiile modificării curentului de sarcină:

� coeficientul mediu de stabilizare termică a tensiunii de ieşire (thermal coefficient) reprezintă o măsură a capacităŃii stabilizatorului de a menŃine valoarea prescrisă a tensiunii de ieşire în condiŃiile modificării temperaturii:

se exprimă în mV/mA sau mV/A

se exprimă în mV/°C

Stabilizatoare de tensiune realizate cu circuite integrate specializate

Se pot pune în evidenŃă trei categorii de stabilizatoare integrate:

� stabilizatoare monolitice cu mai mult de trei terminale (numite şi stabilizatoare din generaŃia întâi);

� stabilizatoare monolitice cu trei terminale şi posibilitatea ajustării tensiunii de iesire stabilizate (numite şi stabilizatoare din generaŃia a doua);

� stabilizatoare monolitice cu trei terminale şi cu tensiune fixă de iesire.

Prezentarea schemei blocPrezentarea schemei bloc

Schema bloc a unui stabilizator de tensiune uA 723 Schema bloc a unui stabilizator de tensiune uA 723 este prezentata in figura 1. Se evidentiaza cele 3 este prezentata in figura 1. Se evidentiaza cele 3 blocuri functionale principaleblocuri functionale principale::

�� sursa de tensiune de referinta,sursa de tensiune de referinta,�� amplificatorul de eroareamplificatorul de eroare�� elementul regulator serie. elementul regulator serie.

Aceste blocuri au nevoie, pentru o functionare Aceste blocuri au nevoie, pentru o functionare corespunzatoare, de blocuri functionale auxiliare: corespunzatoare, de blocuri functionale auxiliare: circuite de protectie, circuite de polarizare si circuite de protectie, circuite de polarizare si circuite de pornire. circuite de pornire.

C Vref

Vout

V+

Rsc

RA

Amplificator

eroare

Retea de

polarizare

Referinta de

tensiune

Etaj de

iesire

Limitator

de curent

RB

V-

Ec

Vo

COMP

Figura 1. Schema bloc a stabilizatorului de tensiune

Schema bloc de principiu

Functionarea stabilizatoruluiFunctionarea stabilizatorului

In functionare normala tensiunile de la intrarea In functionare normala tensiunile de la intrarea amplificatorului de eroare (AO) amplificatorului de eroare (AO) –– cea de la iesirea cea de la iesirea referintei de tensiune si fractiunea proportionala cu referintei de tensiune si fractiunea proportionala cu tensiunea de iesire tensiunea de iesire -- sunt egale. Daca tensiunea de sunt egale. Daca tensiunea de iesire are tendinta de a se modifica, de exemplu iesire are tendinta de a se modifica, de exemplu creste peste valoarea prescrisa, cele doua tensiuni creste peste valoarea prescrisa, cele doua tensiuni de la intrarea AO vor fi diferite si la iesirea AO de la intrarea AO vor fi diferite si la iesirea AO tensiunea se va micsora pentru a asigura reducerea tensiunea se va micsora pentru a asigura reducerea conductiei tranzistorului final, reducerea curentului conductiei tranzistorului final, reducerea curentului de iesire si deci a tensiunii de iesire. Astfel tendinta de iesire si deci a tensiunii de iesire. Astfel tendinta de crestere a tensiunii de iesire este anulata. In de crestere a tensiunii de iesire este anulata. In mod analog se intampla si la o tendinta de scadere mod analog se intampla si la o tendinta de scadere a tensiunii de iesire.a tensiunii de iesire.

Tensiunea de iesireTensiunea de iesire

Tensiunea de iesire a stabilizatorului depinde direct Tensiunea de iesire a stabilizatorului depinde direct proportional de tensiunea de referinta Vproportional de tensiunea de referinta VREFREF furnizata furnizata de referinta de tensiune:de referinta de tensiune:

Vo = a/(1+af) VVo = a/(1+af) VREFREF, , unde unde a a -- amplificarea in bucla deschisa a amplificatorului de amplificarea in bucla deschisa a amplificatorului de

eroare si eroare si a a etajului final;etajului final;f = f = ((RRBB++RRAA)/)/RRBB este factorul de reactie.este factorul de reactie.

Daca consideram amplificarea circuitelor din calea de Daca consideram amplificarea circuitelor din calea de semnal (a) suficient de maresemnal (a) suficient de mare,, tensiunea de iesire se tensiunea de iesire se poate aproxima cupoate aproxima cu expresiaexpresia::

Vo = Vo = [[RRBB//((RRAA+ R+ RBB))]] VVREFREF

Surse de tensiune de referintaSurse de tensiune de referintaAcest bloc functional are o influenta directa si semnificativa asupra nivelului tensiunii de iesire, asupra coeficientului de temperatura si al coeficientului de stabilizare al tensiunii de iesire. De aceea se considera ca este cel mai important bloc functional din stabilizatorul integrat de tensiune. Tensiunea dereferinta furnizata de acet bloc functional trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:- sa fie cat mai stabila la variatia tensiunii de alimentare;- sa fie cat mai stabila cu variatia temperaturii mediului ambiant si a temperaturii componentelor electronice;- sa permita o reproductibitate tehnologica a valorii nominale a tensiunii de referinta cu o toleranta foarte mica;- sa asigure a stabilitate in timp a valorii nominale a tensiunii;- sa asigure un zgomot redus pentru a nu introduce surse importante de zgomot in circuitele alimentate de stabilizator.

Surse de referinta Surse de referinta –– scheme tipice (1)scheme tipice (1)

- -

+ +

Schemele tipice de surse de tensiune de referinta folosite in stabilizatoarele integrate folosesc fie diode Zener fie combinatii de jonctiuni baza-emitor ale tranzistoarelor NPN (uneori si PNP).

In circuite integrate, diodele Zener se pot obtine si prin polarizarea inversa a unei jonctiuni baza-emitor a unui tranzistor NPN. Diodele Zener astfel obtinute au coeficient de temperatura pozitiv. In schemele electrice pentru compensarea coeficientilor de temperatura, aceste diode Zener sunt intotdeauna inseriate cu jonctiuni baza-emitor polarizate direct si care au coeficient de temperatura negativ.


VREF

+

-

I

VZ

mVBE

nVBE

R1

R2

O schema ce poate sa asigure un coeficient de temperatura foarte mic este cea din figura

VREF = [VZ + (nR1/R2 – m)VBE] R1/(R1+R2)

Asigurarea stabilitatii cu temperatura se obtine prin conditia ca derivata in raport cu temperatura T a expresiei tensiunii de referinta din relatia de mai sus sa fie nula (∆VREF/∆T = 0). Astfel se obtine conditia de proiectare pentru raportul R1/R2:

R1/R2 = (m+k)/n

k = - (∆VZ/∆T)/(∆VBE/∆T)


I3

I

VREF<0

R2

R1

VI<0

VZ

R3

R4

T2 T3

T1

In figura este prezentata o sursa de referinta negativa ce poategenera la iesire nivele de tensiune incepand cu zeci de milivolti.

VREF = - I3R4

I3 = [VBE + R2(VZ - 3VBE)/(R1+R2)]/R3

Conditia ∆VREF/∆T = 0 conduce la:

k = (R1/R2 – 2)

unde k este cel din relatia anterioara si depinde de tehnologia de realizare a stabilizatorului integrat


VZ

I

T2

+

T1

R1

VREF

Ambele referinte de tensiune prezentate anterior prezinta o impedanta de iesire destul de mare (ordinul kohmi) motiv pentru care curentul furnizat la iesire nu va depasi ordinul zecilor de microamperi. O referinta de tensiune ce poate furniza curenti de iesire mai mari, folosita si in circuitul stabilizator de tensiune µA723 este prezentata in figura. Tensiunea de referinta obtinuta are valoarea:

VREF = VZ + VBE

Desi aparent nu este stabilizata bine cutemperatura, schema ofera totusi controlul coeficientului de temperatura al jonctiunii baza-emotor al tranzitorului T1 prin curentul furnizat de generatorul de curent I. Dioda Zener integrata (jonctiune B-E polarizata invers) are o valoare VZ=6,2V.

Amplificatorul de eroareAmplificatorul de eroare

Amplificatorul de eroare este in general realizat pe baza unui amplificator diferential clasic. Atat rezistenta din emitoarele comune cat si rezistentele de sarcina sunt sarcini active (surse Widlar sau oglinzi de curent). Aceasta asigura amplificare ridicata, impedante de intrare mari, impedante de iesire mici.

Rolul principal al amplificatorului de eroare este de a amplifica diferenta dintre tensiunea de referinta si tensiunea furnizata la iesire (sau o parte a acestei tensiuni obtinuta la bornele unui divizor de tensiune). Daca intre cele doua tensiuni de la intrarea amplificatorului diferential apare o diferenta (eroare), adica apare o tensiune de intrare diferentiala, aceasta este amplificata iar tensiunea de iesire rezultata va comanda etajul de iesire in sensul cresterii sau scaderii curentului furnizat (ceea ce conduce la marirea, respectiv micsorarea tensiunii de iesire stabilizate), in vederea eliminarii diferentei (erorii) aparute.

Deoarece amplificarea in bucla deschisa a amplificatorului de eroare nu trebuie sa fie de ordinul sutelor de mii cum este la un AO propriu-zis, un singur etaj diferential cu sarcina activa este suficient pentru scopul propus de acest etaj.

Elementul regulator serieElementul regulator serie

Amplificator

eroare

+

Ts

I

Circuite

de

protectie

Vo

Elementul regulator serie realizeaza urmatoarele functii:- readuce tensiunea de iesire la nivelul specificat, sub comanda amplificatorului de eroare si a buclei de reactie a acestuia;- furnizeaza curentul de iesire specificat;

Componenta principala a regulatorului serie este tranzistorul Ts. Pentru oamplificare mare in curent se folosesc configuratii Darlington de 2 tranzistoare

- reduce sau chiar blocheaza curentul de iesire sub comanda circuitelor de protectie pentru autoprotectie sa;- reduce rezistenta de iesire a stabilizatorului.

Protectia tranzistorului final (1)Protectia tranzistorului final (1)

Amplificator

eroare

Vo

+

Ts

VB

I

Rs

-

TP

Cea mai raspandita metoda de protejare termica a stabilizatorului de tensiune utilizeaza drept senzor termic o jonctiune B-E a unui tranzistor integrat pe chip chiar langa tranzistorul serie. Tensiunea de polarizare VB a tranzistorului de protectie Tp se proiecteaza sa fie in domeniul 300-400 mV, astfel ca la temperatura de lucru (25-30 C) sa fie insuficienta pentrudeschiderea jonctiunii B-E a sale.

La cresterea temperaturii, tensiunea de deschidere a jonctiunii B-E a tranzistorului Tp scade (cu 2mV/C) astfel ca VB va asigura, peste o temperatura T critica, deschiderea jonctiunii. Odata TP deschis, curentul sau de colector va diminua curentul de baza a tranzistorului serie cu atat mai mult cu cat temperatura creste. Daca temperatura creste totusi in continuarese poate ajunge in situatia ca intreg curentul I sa fie preluat de TP, curentul de baza a lui Ts se va anula, anulandu-se si curentul de iesire.


Vo

+

Ts

I

RSC

TP

Protejarea tranzistroului serie la scurtcircuit sau suprasarcinase realizeaza prin limitarea curentului de iesire.

Curentul care circula prin sarcina trece si prin rezistenta RSC

(inseriata cu rezistenta de sarcina) care este dimensionata astfel incat, in functionare normala caderea de tensiune de pe aceasta rezistenta sa nu poata sa deschida jonctiunea B-E a tranzistorului TP.

La cresterea peste valoarea admisa a curentului de iesire, caderea de tensiune de pe RSC va creste, jonctiunea B-E a tranzistorului TP se va deschide, iar curentul sau de emitor va diminua curentul de baza a lui TS si deci si curentul de iesire a acestuia. Astfel curentul de iesire este practic limitat la valoarea la care caderea de tensiune pe RSC va deschide TP.


RB

RA

Vo

+

Ts

I

RSC

TP

Metoda anterioara prezinta doua mari deficiente: creste valoarea rezistentei de iesire a stabilizatorului cu valoarea RSC si creste puterea disipata pe circuitele interne datorita puterii disipate pe RSC. Ambele deficiente se reduc prin reducerea valorii RSC. Acest lucru este posibil cu o schema ca cea din figura.

In schema anterioara era necesara o tensiune VBE pe rezistenta RSC pentru a deschide tranzistorul TP. In schema din figura, valoarea VBE este necesara pe rezistenta RB (iesirea unui divizor rezistiv). Rezulta ca pe rezistenta RSC este necesara doar o tensiune RB*VBE/RA. Daca RB<RA inseamna ca se poate folosi o rezistenta Rsc mult mai mica decat cea din cazul anterior pentrua indeplini aceeasi conditie.

SStabilizatoare de tensiune integratetabilizatoare de tensiune integrate –– aplicatiiaplicatii

Rsc

Vout

AJ

TS

RB

RA

Vo

VREF

-

+

Vi

IAJ

Circuite de

protectie

Vo=VREF(1+RB/RA)+RBIAJ

Valoarea tensiunii de iesire se stabileste prin alegerea dupa dorinta utilizatorului a valorilor rezistentelor RA si RB.

SStabilizatoaretabilizatoare –– aplicatii (2)aplicatii (2)

VREF

+

+

RC

RB2

RB1

RA

+ -

Z VZ

C2

+

LM317

VI Vout

AJ

VI

VS

Vo IAJ

C1

In figura este prezentata o schema de stabilizator de tensiune pozitiva, reglabila. Dioda Zener Z este polarizata folosind o sursa suplimentara de tensiune, nestabilizata VS. Pe ochiul de la iesire se poate scrie ecuatia:

Vo = VREF + VREF (RB1 + RB2)/RA+(RB1 + RB2)IAJ – VZ

unde - VREF – tensiunea stabilizata la iesire (intre terminalul Vout si AJ al circuitului integrat)- IAJ – curentul de ajustare al tensiunii de referinta interna (este generat spre exteriorul integratului si reprezinta o data de catalog a carei valoare este maxim 0,1 mA).

Aplicatii cu stabilizatoare de tensiune fixeAplicatii cu stabilizatoare de tensiune fixe

Stabilizatoarele detensiuni fixa prezinta reteaua rezistiva de stabilire a tensiunii de iesire deja integrata. Valorile rezistentelor fiind fixate tehnologic rezulta ca si tensiunea de iesire este fixa. Sunt folosite uzual pentru stabilizarea locala a tensiunii de alimentare a numeroase circuite integrate. Au avantajul simplitatii si prezinta o rata optima cost/performanta. Mai sunt cunoscute si sub denumirea de stabilizatoare cu trei terminale.

Caracterisitice generale ale stabilizatoarelor fixe sunt:• nu necesita componente externe in aplicatiile de baza;• tensiunea de iesire, fixata intern, are o precizie uzuala de 5%;• contin circuite de protectie la suprasarcina, de mentinere a functionarii tranzistorului in domeniul sau de siguranta si circuite ce asigura imunitatea integratului in cazul scurtcircuitarii iesirii la masa;• curentul de iesire este limitat si functie de temperatura de lucru.

Uzual se fabrica stabilizatoare integrate atat pentru tensiuni pozitive cat si negative, de valori nominale cuprinse intre 5-24V. De exemplu stabilizatoarele de tip µA 78xx au tensiunile de iesire: 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18, 24V. Cei doi xx din denumirea integratului ne dau valoarea tensiunii de iesire. Curentii nominali debitati in sarcina variaza functie de familia de stabilizatoare, intre 0,1 A si 3A. De ex., familia µA78xx poate genera 1,5 A.

Co

Stabilizator de

tensiune pozitiva

VI Vout

M VI CI Vo

nod de masa unic

Aplicatia de baza a unui stabilizator de tensiune fixa este prezentata in figura. In mod similar, folosind un stabilizator de tensiune fixa negativa se poate obtine o tensiune de iesire stabilizata negativa. Condensatoarele CI si Co (valori mari, de sute de µF) au rolul de a filtra tensiunile de intrare si iesire, respectiv.

stabilizatoare integrate si aplicatiile acestora

Documents