CIRCUITE PENTRU ALIMENTARE ŞI PENTRU ELEMENTE DE EXECUŢIE

Transcript

1 CICUITE PENTU ALIMENTAE ŞI PENTU ELEMENTE DE EXECUŢIE Stabilizatoare de teniune Scopul: alimentare cu teniune tabilizată a circuitelor electronice Perturbaţii: - arcina (curent conumat variabil) - alimentarea (variaţii lente + variaţii rapide, cauzate de alţi conumatori au de teniunea redreată) - temperatura (variaţii foarte lente) Perturbaţiile cu variaţie lentă alterează doar regimul taţionar. Perturbaţiile rapide afectează regimul dinamic al urei (pot apărea abateri importante, în regimul tranzitoriu, ca urmare a alturilor în mărimile perturbatoare). Mărimile prin care ete caracterizat tabilizatorul: - teniunea nominală de arcină, repectiv domeniul de variaţie al teniunii de arcină în cazul tabilizatoarelor cu teniune de ieşire ajutabilă; - curentul de arcină nominal; - domeniul teniunilor de alimentare admiibile; - intervalul admiibil de temperatură; - coeficientul de tabilizare a teniunii de arcină, în raport cu teniunea de alimentare; - rezitenţa internă (tabilizarea teniunii de arcină, în raport cu curentul de arcină); - coeficientul de variaţie a teniunii de arcină în raport cu temperatura; - uprareglajul maxim şi durata regimului tranzitoriu, produe de o variaţie a arcinii; - uprareglajul maxim şi durata regimului tranzitoriu, produe de o variaţie a alimentării. Figura 5.: Caracteritica externă (de arcină) a tabilizatorului (regim taţionar) Panta caracteriticii în jurul unui punct de funcţionare: rezitenţa internă, care are carcaterul unui factor de tabilizare în raport cu arcina (calculat la alimentare şi temperaturi contante): U i = (5.) I Factor de tabilizare în raport cu alimentarea (calculat la arcină şi temperatură contante): K = (5.) U U a Aceşti parametri nu înt contante (depind de punctul de funcţionare). Fabricantul furnizează enibilităţile în raport cu perturbaţiile ub forma mărimilor de mai u (pentru un anumit interval al regimului taţionar), au ub forma variaţiilor maxime ale teniunii de ieşire, pentru o combinaţie a intervalelor perturbaţiilor. Exemplu: Pentru o ură tabilizată, fabricantul garantează că rezitenţa de ieşire ete ub 50mohm, dacă curentul de arcină variază între 0% şi 90% din curentul maxim admi, oricare ar fi teniunea de alimentare în domeniul admi.

2 Exemplu: Pentru o ură tabilizată, fabricantul garantează că teniunea de ieşire variază cu mai puţin de 40mV, dacă curentul arcină variază între 0% şi 90% din curentul maxim admi, teniunea de alimentare variază între ±0% faţă de valoarea nominală, iar temperatura ambiantă ete între 0-30 grade. Caracterizarea regimului tranzitoriu: funcţia indicială Figura 5.: ăpunul tabilizatorului la variaţia arcinii şi la variaţia teniunii de alimentare Sură V/A, răpun la variaţia arcinii, curentul de arcină între 90% - 0% şi inver Timp tranzitoriu: miliecunde Depăşire: ute de mv Limitarea curentului: protejarea tabilizatorului (eventual a arcinii). Utilitatea celor trei tipuri de limitare: abruptă, cu întoarcere, cu declanşare (vezi curul 9 CEF) Figura 5.3: Limitare de curent abruptă, "cu întoarcere", cu declanşare Vezi exemplu foaie de catalog ură Farnell Exemple de ure de alimentare tabilizate:

3 Tipuri de tabilizatoare: a. tabilizatoare parametrice (e bazează numai pe caracteritica neliniară a unui dipozitiv electronic); b. tabilizatoare cu reacţie (cu amplificator de eroare). egimul de funcţionare al dipozitivului de putere (în tabilizatoare cu reacţie): - tabilizatoare liniare - tabilizatoare în comutaţie 5. Stabilizatoare liniare de teniune Stabilizatoare parametrice Vezi CEF cur 9 Figura 5.4: Stabilizator erie Figura 5.5: Stabilizator paralel Stabilizatoare cu reacţie (cu amplificator de eroare, cu reglarea automată a teniunii) Figura 5.6: Stabilizator liniar de teniune, cu amplificator de eroare

4 De obervat: eacţia negativă egimul de lucru al tranzitorului tructura de item de reglare automat olurile componentelor Teniunea nominală pe arcină (circuit cu reacţie), relaţia (5.3) Stabilizarea în raport cu arcina (5.4) Stabilizarea în raport cu alimentarea (5.5, 5.6) Valori uzuale ale parametrilor olul C, tehnologia C Tranzitor erie compu (figura 5.7) Tipul de limitare, a doua buclă de reglare (curent), elementul neliniar, relaţia (5.7) + U = U ref = U n Stabilizarea parametrică are coeficientul K iar tabilizarea cu reacţie are coeficientul: K o (5.3) hi + Zo + =, (5.4) h + a f h + =, (5.5) h f a o hi + Zo + = ( + ) +. (5.6) K K K Figura 5.7: Stabilizator cu tranzitor erie compu Limitare abruptă Proiectarea şuntului: 0,7V şunt =. (5.7) I max Dimenionarea tranzitorului erie (pe întregul interval de temperatură): - curentul maxim de colector ( I C max ) ete chiar curentul maxim prin arcină; - teniunea maximă pe tranzitor ( U CE max alimentare; - puterea maximă diipată ( P d max teniunea de alimentare. ) apare în regimul de curtcircuit pe ieşire şi ete aproape teniunea de ) apare tot în regimul de curt pe ieşire şi ete produul dintre curentul maxim şi

5 Limitarea abruptă, utilizare, dezavantaj (vezi puterea diipată pe tranzitor, la curent maxim şi la curtcircuit) Limitare cu întoarcere, utilizare, avantaj (vezi puterea diipată pe tranzitor, la curent maxim şi la curtcircuit) Limitare cu întoarcere Figura 5.8: Stabilizator de teniune, limitare de curent cu întoarcere U BE + U = U ref = U n = I şunt ( U + I şunt ) = I şunt U (5.8) U n3 0,7V 3 I max = + ( + ) (5.9) 4şunt şunt 4 0,7V 3 I cc = ( + ) (5.0) şunt 4 Vezi foaie catalog LM73 Exemplu de proiectare Cerinţe: teniunea nominală 5V curentul de arcină nominal 500mA, limitat cu întoarcere rezitenţa internă mai mică de 0mΩ zgomotul pe arcină (de la vîrf la vîrf) mai mic de 30mV alimentare de la reţea, prin tranformator, un redreor şi un filtru, frecvenţa 50Hz, abaterile admie ±0%.

6 Ipoteză: circuitul integrat βa73 aigură un coeficient de tabilizare atifăcător, în intervalul de temperatură impu ([5], [6]). Teniunea de referinţă generată de circuitul integrat ete de 7,5V ±%. + raportul de divizare dat de -, în conformitate cu relaţia U = U ref = U n. Condiţia ca prin divizor ă treacă un curent mare faţă de curentul de polarizare al amplificatorului de eroare şi mic faţă de curentul maxim de arcină. Valoarea de ma ete coniderată rezonabilă, aşa încît rezultă: + =, şi + = 5k, ceea ce duce la oluţia = 7,85k şi = 7,5k. Se aleg valori din producţia de erie, pre exemplu cu toleranţă de ±5%: = 8,k şi = 7,5k. olul emireglabilului Tranzitorul intern al circuitului integrat uportă 50mA Tranzitor extern Ipoteză: teniunea pe şunt nu depăşeşte o valoare rezonabilă (pre exemplu, V) Se proiectează alimentarea netabilizată. Fie E teniunea de alimentare. Ea conţine o componentă medie Em şi o componentă de zgomot, Ez. Contrîngerile filtrului 3V pentru componenta de zgomot a teniunii de alimentare (dimenionarea condenatorului de filtrare şi a diodelor). Contrîngerile pentru componenta medie: tranzitorul erie nu trebuie ă e atureze Situaţia cea mai defavorabilă: teniunea de reţea la valoarea minimă, curentul aborbit de arcină ete maxim, zgomotul ete în alternanţa negativă. Ez E m 90 % = U CE + U şunt + U n (5.) Tranzitorul erie ete compu: U CE min = U BE =,4V. ezultă E m 90 % > 9,9V. Componenta medie: E m =,V. Valoarea maximă a componentei medii (cazul cel mai defavorabil pentru olicitarea în teniune şi în putere a tranzitoarelor montate în erie cu arcina): E 0 % = 4,4V cînd arcina aboarbe curentul maxim m E m = 7V cînd tabilizatorul lucrează în gol (am coniderat,6v creşterea teniunii de mer în gol a tranformatorului, faţă de teniunea în arcină). Alegerea şuntului şi a divizorului 3-4. Alegerea curentului de curtcircuit, două contrîngeri contradictorii: puterea dipată pe tranzitorul erie creşte odată cu acet curent, iar teniunea pe şunt cade odată cu acelaşi curent. Puterea diipată pe tranzitor, pe curba de întoarcere a caracteriticii externe (teniunea de alimentare nominală). Parametrul familiei de curbe ete raportul dintre curentul de curtcircuit şi curentul maxim (curba de u la limitarea abruptă). Valorile maxime ale puterii diipate în funcţionare normală (tabilizare) înt cele din extremitatea dreaptă a figurii Un compromi rezonabil: curba I cc = 0,4I max Verificată ipoteza că teniunea pe şunt nu depăşeşte V.

7 U n 0,7V şunt = = 3,76Ω, (5.) I ( U + 0,7V ) I 0,7V 3 4 = U n cc n 0,7V ( I I 0,7V ( I cc max I max max cc ) I cc = 0,075. (5.3) ) ezitoarele 3 şi 4 e aleg de k, repectiv 3k. Teniunea maximă pe şunt are valoarea,9v, deci atiface preupunerea iniţială. Din figura 5.9 e contată că puterea maximă pe tranzitor ete mai mică de 5W şi apare în regim de limitare, cînd teniunea pe arcină ete în jurul valorii de 5V. Puterea maximă pe tranzitor, în regim de funcţionare normală, ete abia de,6w. Figura 5.9: Puterea diipată pe tranzitor, în regimul de limitare Tranzitorul (curentul de curt 0,A): curent maxim 0,5A, teniune maximă 4,4V-0,8V=3,6V (apare la curtcircuit, cu teniunea de alimentare maximă) şi putere diipată maximă 5,5W (calculată tot la teniune maximă de alimentare). BD35, în capulă TO6. adiator. Verificare parametri tranzitor, curent furnizat de circ. integrat La curentul de 0,5A, amplificarea de curent a tranzitorului ete mai mare de 30 (am coniderat temperatura maximă ub 50 grade), deci curentul de bază necear ete de 7mA. Curentul furnizat de integrat (50mA) ete atifăcător. Puterea diipată pe integrat: ub 500mW. La aceată putere contribuie doi termeni: puterea diipată pe tranzitorul erie intern şi puterea diipată pe retul integratului. Prima componentă e calculează imilar cu puterea diiptă pe tranzitorul extern şi are valoarea maximă de 60mW. A doua componentă ete produul dintre curentul aborbit în retul circuitelor integratului (4mA, e ia din catalog) şi teniunea maximă de alimentare (4,4V). Suma puterilor diipate ete 60mW, mai mică decît cea admiibilă. Dacă puterea diipată pe capula integratului depăşeşte puterea maximă admiă, ete necear ă e micşoreze curentul furnizat de tranzitorul intern, prin introducerea a încă unui tranzitor intermediar. Zgomotul Banda andamentul Protecţia la uprateniune eacţionează la defect extern şi la defect în tabilizator. În ambele cazuri, produce curtcircuit la ieşire. Dacă tabilizatorul e valid, limitarea de curent îl protejează împotriva curtcircuitului. Dacă defectul e în tabilizator, protecţia o aigură iguranţa fuzibilă de pe alimentare.

8 Figura 5.0: Circuit de protecţie la uprateniune pe ieşire Alte variante de tabilizatoare Pentru tabilizarea unor teniuni mari, pe care circuitul integrat nu le uportă, trebuie foloite alte cheme. Dacă fluctuaţia teniunii netabilizate ete mică (mai mică decît diferenţa dintre teniunea maximă şi cea minimă de alimentare a integratului, adică 0V), ete poibil ă e proiecteze un tabilizator în care integratul are borna negativă legată la borna pozitivă a arcinii. Pentru că borna negativă a tabilizatorului nu ete legată la comunul dintre ură şi arcină, e pune că lucrează în regim flotant. O atfel de chemă ete prezentată în figura 5. ([6]). Se obervă cum alimentarea integratului e face cu o diodă Zener şi un rezitor. Se mai obervă cum e compară referinţa şi reacţia, atfel încît reacţa ă fie negativă: U 3 = A[( U + U ref ) U U ref ] U + + Din relaţia (5.4) e obevă că coeficientul lui U din membrul drept ete negativ, ceea ce îneamnă că reacţia ete negativă. Din aceeaşi relaţie e deduce teniunea nominală de arcină: 3 4 BE U şunt (5.4) 4 3 U n = U ref ( + 3 ) (5.5) etul proiectării decurge ca mai u, cu menţiunea că regimul de curtcircuit ete aici mai dur pentru tranzitorul erie şi pentru tabilizatorul parametric (cu diodă Zener), deci acetea vor fi dimenionate pentru teniuni şi puteri mai mari decît în cazul chemei 5.7. Figura 5.: Stabilizator de teniune pozitivă, în regim flotant În figura 5. e prezintă un tabilizator de teniune negativă, realizat cu acelaşi circuit integrat. O deoebire importantă apare datorită plaării tranzitorului erie pe conductorul de alimentare negativă. El a fot ale de tip pnp şi are nevoie de o deplaare a nivelului bazei cu o diodă Zener, pentru că emitorul tranzitorului intern nu poate coborî la nivel mai negativ decît polul cel mai negativ al integratului. Dioda ete şi ea integrată.

9 Figura 5.: Stabilizator de teniune negativă Pentru tabilirea reacţiei şi calculul teniunii nominale de ieşire, e procedează ca mai u: teniunile intrărilor neinveroare şi inveroare, calculate faţă de potenţialul nul, înt u = ( U + U ref ) 3 u = U + U = U + U ref (5.6). (5.7) Din diferenţa lor rezultă că emnul coeficientului lui U ete negativ, precum şi valoarea teniunii de arcină nominale: U n 3 ( + ) = U ref (5.8) ( + ) 3 4 Figura 5.3: Stabilizator dual (cel negativ în regim de urmărire) În circuitele de alimentare în care ete importantă imetria teniunilor faţă de un potenţial comun, incluiv a zgomotului, e poate realiza tabilizatorul dublu în aşa fel încît una din teniuni ete independentă, în timp ce cea de a doua o repetă imetric pe prima. Se pune că al doilea tabilizator lucrează în regim de urmărire (ca în figura 5.3). eacţia în acet tabilizator ete negativă, iar teniunea de ieşire, calculată ca în orice amplificator inveror, ete dată de relaţia: U = U. (5.9) Dacă e aleg rezitoare egale, teniunile de arcină rezultă egale în modul şi de emne opue. Exită circuite integrate în care înt cuprine elementele ambelor tabilizatoare din chema duală. Vezi chemă tabilizator Siemen Stabilizator integrat cu trei terminale Pentru că unele teniuni de alimentare înt practic tandardizate, producătorii pun la dipoziţia proiectanţilor de aparate

10 tabilizatoare de teniune fixă, integrate, care e conectează prin numai trei terminale. Acete circuite implifică emnificativ partea de proiectare a alimentării. Schema internă implificată a unui atfel de circuit ete cea din figura 5.4. Circuitul are prevăzută limitarea puterii maxime diipate, chiar în regim de curtcircuit. Conectarea exterioară e realizează ca în figura 5.5, care conţine un rezitor pentru aigurarea conumului minim şi un condenator antiocilaţie. Conumul minim ete necear atunci cînd arcina poate ă cadă la curenţi mici, unde tabilizarea ete labă. Un exemplu de familie de circuite tabilizatoare ete familia Motorola MC78xx; cifrele xx deemnează teniunea pozitivă tabilizată, adică 5V, 8V, 0V, V, 5V, 0V, 4V. Familia MC79xx conţine tabilizatoarele duale, de teniune negativă. Spre exemplu, MC7805 ete tabilizator de teniune pozitivă, 5V, iar MC7905 ete tabilizatorul de 5V. Curentul maxim depinde de capulă şi poate fi între 0,3A şi,5a. Un circuit imilar, LM33, în capulă TO3, admite curent maxim de 3A şi putere maximă diipată de 30W. teniune fixă Figura 5.4: Stabilizator de Figura 5.5: Conectarea tabilizatorului Una dintre limitările tipice ale tabilizatorului ete teniunea minimă ce trebuie aigurată între intrarea şi ieşirea circuitului, în regim de tabilizare. Pentru familia MC78xx aceată teniune depăşeşte V. Exită şi circuite cu cădere foarte mică de teniune între intrare şi ieşire (LDO = low dropout). Foloind tabilizatoare cu conum intern mic de curent, e poate obţine teniune de arcină diferită de cea tabilită intern. Conectarea e face ca în figura 5.6 (pre exemplu, LM37). Teniunea de arcină e calculează din teniunea nominală, cu relaţia: U = U n ( ) (5.0) + Figura 5.6: Stabilizator de teniune reglabilă prin rezitoare Pentru buna funcţionare a circuitelor din figura 5.6, ete eenţial curentul foarte mic din terminalul GND. În caz contrar, curentul din devine dependent de curentul de arcină, ceea ce afectează teniunea de ieşire, deci e deteriorează caracterul tabilizator. Vezi foaie catalog MC7805, 7905, LM37 Exemplu de proiectare cu tabilizator cu 3 terminale Cerinţele uzuale ale beneficiarului: Teniunea nominală Curentul de arcină maxim (în regim de tabilizare) Valoarea maximă a abaterilor produe de perturbaţii iplul maxim al teniunii pe arcină ezitenţa internă maximă Durata maximă a regimului tranzitoriu, ca urmare a unei variaţii în treaptă a perturbaţiilor rapide Suprareglajul maxim în regim tranzitoriu Domeniul maxim al temperaturilor de lucru Limitele teniunii de alimentare netabilizate (uneori beneficiarul impune o anumită ură netabilizată)

11 Preupunem că beneficiarul a cerut: Teniune de ieşire nominală de 5V, acceptată între 4,75 şi 5,5V Curent maxim A Domeniul teniunilor de lucru 0-70 grade Abatere maximă a teniunii de 00mV, pentru orice combinaţie a mărimilor perturbatoare ezitenţa internă maximă 0mohm iplu maxim 0 mv Protecţie la depăşirea curentului au a temperaturii Printre candidaţii poibili găim LM7805 (în chema din fig. 5.5), care aigură: teniune nominală 5V, curent maxim A, protecţie la upracurent şi upratemperatură (internally limited power diipation), rezitenţă internă 8 mohm, domeniul de temperatură 0-70grade. Îndeplinirea celorlalte cerinţe depinde de alegerea urei de alimentare. În copul evaluării lor, extragem din foaia de catalog celelalte performanţe: Teniunea minimă intrare-ieşire V Teniunea maximă de alimentare 35V Puterea maximă diipată pe capula TO3 ete W (fără radiator, temperatura ambiantă 70 grade), pînă la 0W (radiator infinit, temperatura ambiantă 70 grade). Pentru capula TO0, acete limite înt,5w, repectiv 9,5W. Abatere a teniunii de ieşire 50 mv, pentru tot intervalul temeperaturilor şi curentului de ieşire, teniunea de alimentare între 8-0V ejecţia riplului de 00Hz = 6 db, pentru teniunea de alimentare între 8-8V Preupunem că avem la dipoziţie o ură de alimentare, la care riplul ete de ±V iar variaţia teniunii medii ete de ±0%. Valoarea minimă a teniunii de alimentare e atinge la variaţie 0% şi riplu V. Aceată valoare trebuie ă fie mai mare decît teniunea nominală + teniunea minimă intrare-ieşire: U a med ( 90%) V > U nom + U min io = 7 V Valoarea maximă a teniunii de alimentare e atinge la variaţie +0% şi riplu +V şi trebuie ă fie mai mică decît teniunea maximă admiă: U a med ( 0%) + V < U a max = 35V Puterea maximă diipată pe capulă (în regim de tabilizare) e atinge la variaţie +0% şi curent de arcină maxim: P d = [ U a med (0%) U nom ] I max < Pd max = 0W ezultă următoarele trei limitări: 0,9 U a med > 8V, U a med < 34V, U a med < 0W /A + 5V = 5V Se poate alege teniunea medie mai mare de 8,9V şi mai mică de 8V (a doua retricţie ete mai labă decît a treia). Preupunem că am ale teniunea medie de alimentare de 0V. ezultă că teniunea de alimentare ete în limitele pentru care abaterea maximă a teniunii de arcină nu depăşeşte 50mV. Mai rezultă că riplul pe arcină ete atenuat cu 6dB (cam de 000 ori), deci nu depăşeşte ±mv. În fine, deşi a treia retricţie ne garantează că nu e depăşeşte puterea maximă diipată pe capulă, ea trebuie calculată, pentru a alege radiatorul. Puterea maximă diipată ete: P d = [ U a med (0%) U nom ] I max = 6W, ceea arată că trebuie amplaat un radiator. (Din grafice rezultă că radiatorul trebuie ă aibă rezitenţa termică cam 8grade/W.) Pentru capulă tabilizator cu poibilitate de ajutare (LM37, în chema din fig. 5.6), proiectarea decurge la fel, plu dimenionarea divizorului rezitiv. Teniunea nominală de ieşire ete,5v. Din relaţia (5.0) e determină raportul / (rezultă valoarea 3), apoi e impune condiţia ca variaţia curentului prin terminalul GND (Adjutment pin current change) ă fie mult mai mică decît curentul prin cele două rezitoare (pre exemplu, de 00 ori, pentru o eroare cam de %). De aici: U n > 00 5 µa În cazul prezentat, e pot alege rezitoarele atfel încît curentul prin ele ă fie de ma, repectiv 3,6k şi,k.

12