Capitolul 9. Stabilizatoare de tensiune continuă

Transcript

1 104 apitolul 9 tabilizatoare de tensiune continuă 9.1 lasificarea stabilizatoarelor de tensiune continuă Pentru o funcţionare corectă a aparaturii electronice şi pentru asigurarea preciziei funcţionării ei sunt necesare în multe situaţii tensiuni de alimentare constante. Pentru aceasta se utilizează stabilizatoare de tensiune continuă conectate între sursa de tensiune U i tab. de U fig.9.01 continuă nestabilizată) şi sarcină. chema bloc ce prezintă locul şi rolul stabilizatorului într-un circuit de alimentare se pre-zintă în figura ursa este adesea constituită dintr-un redresor cu filtru conform celor cunoscute. ezistenţa de sarcină are semnificaţia consumatorului constituit din aparatul (circuitul) electronic alimentat. orespunzător modului în care se obţine efectul de stabilizare deosebim: - stabilizatoare parametrice - stabilizatoare cu reacţie - stabilizatoare în comutaţie tabilizatorul parametric utilizează componente electronice cu caracteristică curenttensiune pronunţat neliniară. Acestea se caracterizează prin faptul că tensiunea la bornele lor variază puţin în condiţiile unor variaţii semnificative ale curentului prin ele. le sunt simple, asigură performanţe modeste şi sunt utilizate ca elemente de referinţă sau ca stabilizatoare auxiliare. tabilizatoarele cu reacţie sunt cele mai utilizate, ele furnizând tensiunea de ieşire constantă în urma unui proces de reglare. La rândul lor,acestea sunt de două feluri:

2 105 - cu element de reglare serie - cu element de reglare paralel. tabilizatoarele în comutaţie funcţionează pe un alt principiu decât cele două enumerate. ndiferent de tipul său, stabilizatorul de tensiune se apreciază prin trei parametri esenţiali: - coeficientul de stabilizare, = U U i, θ = ct ; rezistenţa de ieşire ies = U U, θ = ct ; i coeficientul de temperatură K o = U θ U, U = ct ; i 9.03 În relaţiile de mai sus θ este temperatura, iar celelalte notaţii corespund figurii onform definiţiilor de mai sus parametrii menţionaţi caracterizează funcţionarea stabilizatorului în condiţiile variaţiilor singulare (unice) ale tensiunii de intrare, curentului de sarcină respectiv temperaturii. 9.2 tabilizatoare parametrice tabilizatoare parametrice cu diodă Zener Funcţionarea unui asemenea stabilizator se bazează pe caracteristica curent-tensiune cunoscută a diodei Zenner.

3 106 U Z D Z fig.9.02 chema stabilizatorului se prezintă în figura Valorile coeficientului de stabilizare, rezistenţei de ieşire şi coeficientului de temperatură sunt date de relaţiile: o ies r 9.04 z r 9.05 z K o U θ z 9.06 Prin urmare, exceptând coeficientul de stabilizare (care creşte o dată cu creşterea lui, implicând şi scăderea randamentului energetic al stabilizatorului) performanţele stabilizatorului parametric sunt determinate de caracteristicile diodei Zenner utilizate tabilizator parametric cu diodă Zener şi repetor pe emitor Un asemenea stabilizator utilizează un ansamblu compus din elementul parametric D z şi un tranzistor cu rol de element de reglare serie, funcţionând în conexiune colector comun. chema sa de principiu se prezintă în figura Acţiunea de stabilizare este determinată de faptul că tranzistorul preia variaţiile tensiunii de B U 1 2 intrare (prin modificarea tensiunii sale D Z colector-emitor) şi pe cele ale curentului de fig.9.03 sarcină (prin modificarea tensiunii bază -

4 107 emitor). Aşa cum va rezulta, preluările sunt parţiale. e observă că tensiunea stabilizată este dată de relaţia: U = U z U B 9.07 În ceea ce priveşte tensiunea de alimentare minimă, ea trebuie să aibe o valoare suficient de mare pentru ca tranzistorul să funcţioneze în zona activă, adică: Ui,min + U + U pm 9.08 în condiţiile unor pulsaţii U pm ale tensiunii de intrare. ezistenţa trebuie să asigure curentul de sarcină maxim şi cel de stabilizare prin dioda Zener, în condiţiile în care tensiunea de intrare are valoarea minimă. Valoarea ei se calculează cu relaţia: U i,min = U + B,max z,min z,min 9.09 u i r Z i i h 21e. i B h 11e fig.9.04 B = 0 = 0 i B u Performanţele de regim dinamic ale stabilizatorului se determină utilizând schema din figura 9.04, în care este înlocuit cu schema echivalentă simplificată cu parametrii h. onform definiţiei, coeficientul de stabilizare rezultă de forma: 9.10 B + rz = 9.11 rz Acest stabilizator permite obţinerea unui coeficient de stabilizare de ordinul zecilor, acesta depinzând sever de dioda Zenner aleasă.

5 108 ir r Z a u conform figurii Ţinând seama de faptul că: ezistenţa de ieşire se calculează utilizând acelaşi circuit echivalent din figura 9.04, prin anularea h 21e. i i B h 21e. i i B variaţiei h 11e i B Zech =r Z h i 11e B u i şi înlocuirea ei cu rezistenţa internă a redresorului, ir, r ; 9.12 B z B ir fig.9.05 ech =. ir r Z se obţine expresia rezistenţei de ieşire sub forma: b u ies h11 = h + rz ir r + 21 B z, 9.13 cu suficientă aproximaţie putându-se utiliza relaţia: h h ies tabilizatoare cu reacţie Aşa cum s-a arătat, stabilizatoarele cu reacţie pot fi: - cu element de reglare paralel - P - cu element de reglare serie - chemele bloc ale celor două tipuri de stabilizatoare cu reacţie se prezintă în figura e observă că în structura ambelor stabilizatoare este prezent elementul de reglare (serie sau în paralel) şi circuitul de comandă.

6 109 onform schemei bloc, stabilizatorul cu P funcţionează în felul următor: ircuitul de comandă supraveghează valoarea tensiunii pe sarcină,. Dacă aceasta U U U P a fig.9.06 este mai mare decât valoarea prescrisă (dorită) P va fi comandat în sensul creşterii. Întrucât: U = U ( + ) 9.15 creşterea curentului prin elementul de reglare va determina scăderea tensiunii pe sarcină. Dacă dimpotrivă, este mai mică decât valoarea dorită, P va fi comandat în sensul reducerii curentului ceea ce are ca rezultat creşterea tensiunii pe sarcină, conform aceleaşi relaţii onform schemei bloc un stabilizator cu funcţionează în felul următor: ircuitul de comandă supraveghează valoarea tensiunii pe sarcină. Dacă aceasta este mai mare decât valoarea prescrisă va fi comandat în sensul reducerii curentului de sarcină, ţinând seama de faptul că: U = 9.16 Dacă dimpotrivă este mai mică decât valoarea prescrisă, va fi comandat în sensul creşterii determinând conform relaţiei 9.16 creşterea. Din examinarea funcţionării celor două tipuri de stabilizatoare cu reacţie rezultă câteva concluzii şi anume: b

7 Ambele conţin câte un element de reglare reprezentabil ca un tripol (element de reglare generalizat). 2. În timp ce în cazul stabilizatorului cu P, controlul se efectuează prin operare indirectă asupra curentului de sarcină (reglând ) în cazul stabilizatorului cu se operează direct asupra. 3. ircuitele de comandă comportă atât asemănări cât şi deosebiri, aşa cum va rezulta pe parcursul expunerii tabilizatoare cu P tabilizatoarele cu P se împart la rândul lor în două categorii, conform structurii circuitului de comandă şi anume: a. stabilizatoare cu P fără amplificator de eroare b. stabilizatoare cu P cu amplificator de eroare tabilizatoarele din prima categorie se caracterizează prin aceea că circuitul de comandă constă într-un element D pasiv de circuit, exemplul Z tipic de asemenea U fig.9.07 stabilizator fiind prezentat în figura Acest stabilizator asigură performanţe modeste, iar tensiunea de ieşire nu este ajustabilă. tabilizatoarele din a doua categorie conţin în structura circuitului de comandă un element amplificator. chema bloc generală a unui stabilizator cu P şi amplificator de eroare A se prezintă în figura e observă că în structura circuitului de comandă pe lângă amplificatorul de eroare A sunt incluse referinţa e şi traductorul de tensiune. Aşa cum se va vedea, nu în cazul fiecărei scheme concrete pot fi individualizate strict

8 111 1 Dz U Dz 1 1 U P p 1 3 a 2 4 elementele menţionate, existând interferenţe funcţionale. În figura 9.09 se prezintă două variante concrete de stabilizator cu P P A U U şi amplificator de e eroare. În schema b pot fi individualizate amplificatorul fig.9.08 de eroare, constituit din tranzistorul 2, constituit din tranzistorul 1 şi rezistenţa de putere, referinţa e constituită din dioda Zener Dz şi traduc- fig.9.09 b torul de tensiune realizat cu divizorul rezistiv ajustabil 1, 2, P tabilizatoare cu tabilizatoarele cu reacţie cu se realizează doar în varianta cu amplificator de eroare. În sensul celor de mai sus, schema bloc a unui asemenea stabilizator se prezintă în figura Un exemplu tipic de stabilizator cu şi A se prezintă în figura Şi în cazul acestui stabilizator pot fi individualizate elementele din schema bloc, după cum urmează:

9 112 U A e U P 1 2 fig.9.10 Dz 4 fig constituit din tranzistorul - A realizat cu tranzistorul 1 ca element activ şi elementele pasive aferente - e realizată cu dioda Zener Dz şi rezistenţa de polarizare 1 - r realizat cu divizorul ajustabil 3, 4, P. Pentru calculul performanţelor esenţiale ale stabilizatorului se apelează la schema echivalentă pentru regim dinamic care foloseşte parametrii h ai tranzistoarelor din schemă. onform acesteia coeficientul de stabilizare şi rezistenţa de ieşire au respectiv expresiile: 1 = h ( h11 + h21 rz) h h h = rz + h21 h h11 h omparând performanţele stabilizatoarelor cu reacţie se ajunge la următoarele concluzii: - performaţele stabilizatoarelor cu sunt mai bune decât ale celor cu P - stabilizatoarele cu necesită circuite de protecţie la supracurent şi scurtcircuit, spre deosebire de cele cu P la care pericolul suprasolicitării la scurtcircuit nu există.

10 113 - stabilizatoarele cu au un randament energetic superior celor cu P. Ţinând seama de faptul că în ansamblu, chiar mai costisitoare fiind, stabilizatoarele cu asigură performaţe net superioare, au existat preocupări continue pentru îmbunătăţirea performanţelor acestora [] tabilizatoare integrate alea cea mai sigură de obţinere a unor stabilizatoare performante este utilizarea circuitelor integrate specializate. eprezentativ pentru categoria circuitelor integrate stabilizatoare de tensiune este tipul 723 fabricat în ţara noastră sub indicativele βa 723 şi OB U r omp U U p fig.9.12 U 10 ircuitul are schema bloc internă prezentată în figura l conţine toate elementele schemei bloc din figura 9.10, necesare pentru realizarea unui stabilizator cu care să poată furniza un curent maxim de 150 ma. În acest sens în struc-tură au fost integrate: - referinţa de tensiune U r, stabilizată cu temperatura şi tensiunea de alimentare, având conform datelor de catalog valoarea + 7,15 V ± 0,2 V - amplificatorul de eroare diferenţial A - elementul de reglare serie realizat din tranzistorul compus 14, 15 - tranzistorul 16 pentru asigurarea protecţiei la supracurent.

11 p U 1 6 U r P 1 2 c V OB D 11 D 13 D D V pre exemplificare se prezintă în figura 9.13 schema de principiu a unei surse stabili- fig.9.13 zate reglabile realizate cu acest circuit integrat, utilizând ca element de reglare serie extern tranzistorul 1. tabilizatorul este protejat la supracurent. Un alt exemplu interesant este cel al stabilizatorului integrat dual care furnizează tensiuni de alimentare simetrice. În acest sens merită amintit stabilizatorul de tensiune dual, integrat OB Pentru exemplificarea utilizării se prezintă în figura 9.14 o sursă sta- fig.9.14 bilizată duală cu tranzistoare externe. tabilizatorul furnizează un sistem de tensiuni 15 V în condiţiile în care este alimentat cu o tensiune redresată cu valoarea nominală:

12 115 U =205 V 9.19 in,, şi pulsaţii ce nu depăşesc 1 V vv la curentul maxim pentru care a fost proiectat. Aparenta supradimensionare a tranzistoarelor externe a fost determinată de utilizarea acestei surse într-un echipament de automatizare din mediul industrial lemente de reglare Aşa cum s-a mai arătat din punct de vedere funcţional elementele de reglare serie şi paralel sunt identice, tratarea lor putându-se efectua sub forma elementului de reglare generalizat reprezentabil printr-un tripol ca cel din figura emnificaţia notării bornelor (polilor) de acces este: - intrare; - ieşire; - comandă. În continuare se prezintă câteva folosite curent la realizarea stabilizatoarelor. a. cu un tranzistor tructura unui asemenea element de reglare se prezintă în figura 9.16 e observă că din punctul de vedere al bornelor de intrare şi ieşire, elementul de () faţă. fig.9.15 a. () () fig.9.16 b. () reglare este bidirecţional, alegerea modului de conectare fiind determinată de considerente ce nu fac obiectul prezentării de b. lement de reglare de tip tranzistor compus în conexiune Darlington

13 116 Aşa cum s-a arătat performanţele unui stabilizator sunt determinate şi de valoare rezistenţei de intrare a elementului de reglare. otodată sunt des întâlnite cazurile când stabilizatorul este realizat cu un circuit integrat şi acesta trebuind să furnizeze curentul de comandă al, dat de relaţia: = 9.20 β ar fi solicitat la o disipaţie termică excesivă. Din acest motiv se apelează la utilizarea unor tranzistoare compuse în conexiune Darlington conform schemei din figura () Utilizarea unui asemenea este afectată de restricţia numărului de tranzistoare din structură. În acest sens se observă că valoarea curentului de comandă este: = Bn ( ) n i= 1 β i 9.21 e poate arăta că pentru ca elementul de reglare să îşi păstreze capacitatea de funcţionare este necesară îndeplinirea condiţiei: n Bn 1 fig () n ( ),min B0, n,max i i= 1 β 9.22 Pentru ca să nu apară pericolul neîndeplinirii condiţiei menţionate, în structura unui asemenea element de reglare se introduc rezistenţe de fugă conectate între baza şi emitorul fiecărui tranzistor component. La performanţele acuale ale tranzistoarelor, ţinând cont şi de recomandarea conform căreia nu este indicată utilizarea a mai mult de două tranzistoare în cazul folosirii stabilizatoarelor integrate,

14 117 condiţia 9.22 este relativ uşor de îndeplinit în condiţiile unei proiectări îngrijite. c. format din mai multe tranzistoare conectate în paralel (),, B fig () În cazul în care puterea disipată maximă admisibilă pe tranzistorul final al este insuficientă pentru a asigura curentul de sarcină maxim se recurge la conectarea în paralel a mai multor tranzistoare conform configuraţiei prezentate în figura Întrucât parametrii tranzistoarelor finale nu sunt egali în serie cu fiecare din ele se conectează rezistenţele de egalizare 1, 2, şi 3, calculate cu relaţia aproximativă: 1 U 1 = 2 = 3 5,max 1,max 9.23 d. cu două tranzistoare înseriate Un element de reglare interesant se prezintă în figura Acesta prezintă cel puţin două avantaje esenţiale: - reducerea de 2-3 ori a dimensiunilor radiatorului comun al celor două tranzistoare finale componente - autolimitarea curentului de scurtcircuit

15 118 U D 1 D z 3 2 a dezavantaje se menţionează: - necesitatea a două surse de alimentare - relativa complexitate a proiectării sale. fig Protecţia elementului de reglare la supracurent Aşa cum s-a arătat, elementul de reglare paralel este autoprotejat la scurtcircuit sau/şi suprasarcină prin însăşi construcţia stabilizatorului, în timp ce un scurt circuit sau o suprasarcină sunt fatale pentru realizat sub una din formele din figurile 9.16, 9.17, Adesea, defectarea însemnând scurtcircuitarea colector-emitor a tranzistorului final din componenţa, sunt puse în pericol sever circuitele alimentate prin intermediul stabilizatorului. Întrucât protecţia prin siguranţe fuzibile nu este aplicabilă datorită faptului că D D U tab. cu fig.9.20 timpul de rupere al acestora este mult mai mare decât cel în care supus suprasarcinii se distruge, rămâne ca unică soluţie protecţia electronică. Un exemplu de circuit de protecţie se prezintă în figura l funcţionează în felul următor: Atâta timp cât curentul de sarcină este mai mic decât valoarea maximă, tranzistorul este comandat la saturaţie prin curentul de bază asigurat prin 1.

16 119 Întrucât: + U + U 2 U Bp Bp D diodele D 1 şi D 2 sunt blocate. Deoarece rezistenţa este astfel dimensionată încât:,max + UBp = 2 UD dacă şi când curentul de sarcină atinge valoarea maximă, diodele D 1 şi D 2 se deschid şi şuntează parţial joncţiunea bază-emitor a tranzistorului limitând curentul prin acesta la valoarea:,max 9.26 protejând. ircuitul lucrează în această fază ca un stabilizator (limitator) de curent. Dacă cauza U p 1 2 p ce a determinat suprasarcina se menţine, prin circuite ce nu sunt prezentate în această figură se acţio-nează o siguranţă fuzi-bilă sau un releu de protecţie. În cazul surselor stabilizate unde probabilitatea apariţiei fig.9.20 suprasarcinilor sau/şi scurtcircuitelor este mare, protecţia se concepe astfel încât după dispariţia cauzei acesteia să se revină automat la starea de funcţionare normală. În figura 9.21 se prezintă un circuit de protecţie prin limitare cu întoarcere, el realizând o caracteristică de limitare a curentului de sarcină având forma din figura La depăşirea valorii:

17 120 U = =,max 3 + U 3+ 4 p Bp ,sc fig.9.21,max tranzistorul de protecţie intră în conducţie şi preia o parte din curentul de comandă al, determinând scăderea curentului de sarcină. În caz de scurtcircuit, curentul este limitat la valoarea: + UBp < 3 4 sc, =,max 4 p Protecţia sarcinii împotriva supratensiunilor Defectarea, indiferent că este vorba de un stabilizator cu sau unul cu P poate produce cu mare probabilitate creşterea tensiunii de ieşire la valori ce pun în pericol circuitele alimentate, mai cu 1 P fig.9.22 h seamă dacă este vorba de circuite integrate. În asemenea cazuri se impune protecţia sarcinii împotriva supratensiunilor. Un circuit ce realizează o astfel de protecţie se prezintă în fgura l este conectat la ieşi-rea stabilizatorului şi funcţionează în felul următor: ircuitul de comandă al tiristorului h monitorizează evoluţia tensiunii de sarcină şi în cazul în care aceasta creşte peste valoarea reglată comandă tiristorul care intră în conducţie şi scurtcircuitează sarcina. este de verificare 9

18 Desenaţi schema bloc a unui stabilizator de tensiune continuă. 2. are sunt parametrii cei mai importanţi ai unui stabilizator de tensiune continuă. 3. Desenaţi schema unui stabilizator parametric cu diodă Zener. 4. Desenaţi schema unui stabilizator parametric cu diodă Zener şi repetor pe emitor. 5. e este un stabilizator cu reacţie? Desenaţi schema unui stabilizator cu reacţie cu element de reglare serie. 6. e este un stabilizator cu reacţie? Desenaţi schema unui stabilizator cu reacţie cu element de reglare paralel. 7. Desenaţi schema unui stabilizator simplu cu element de reglare paralel. 8.e este un stabilizator integrat? ând se utilizează? 9. e este un element de reglare? Desenaţi schema sa bloc. 10. Desenaţi un element de reglare cu un tranzistor. omentaţi. 11. Desenaţi un element de reglare cu tranzistor compus. omentaţi. 12. Desenaţi un element de reglare cu tranzistoare conectate în paralel. omentaţi.