STABILIZATOR DE TENSIUNE EXEMPLU DE PROIECTARE Presupunem ca se doreste obtinerea unui stabilizator cu urmatoarele performante Tensiunea de iesire reglabila in intervalul: 15 0 V; Sarcina la iesire 3Ω; Deriva termica <mv/ 0 C Protectie la suprasarcina prin limitarea temperaturii tranzistoarelor regulatoare serie la 10 0 C. Tensiune de intrare in intervalul 5-30V O posibila implementare a unui stabilizator de acest tip este reprezentata in fig 1: Fig. 1 Schema electrica a stabilizatorului de tensiune. Circuitul este compus din urmatoarele blocuri: Amplificator de eroare: Q 1, Q, Q 4, D, R si generatoarele de curent Q 6, R 1 ; Q 3, R 7 ; Q 5. Referinta de tensiune: Dz. Retea reactie negativa R 10, R 11, R 1. Regulator serie: Q 10, Q 11, Q 1, Q 13,, R 13, R 14, R 8, R 9. Circuit de pornire R 13, D -D 6 ; Protectie termica: Q 7, Q 18, Q 9, R 13, R 4, R 5, R 3. 1
1. Referinta de tensiune. Va fi in esenta o dioda Zener de 5.6V. Pentru acest tip de diode (daca sunt polarizate la curent constant) se constata un drift termic foarte mic in intervalul 0-60 0 C. Dioda se va polariza in curent constant prin intermediul Q 6, R 1. Pentru a minimiza efectul rezistentei finite de iesire a generatorului de curent astfel obtinut, acesta va fi alimenta dintr-o tensiune prestabilizata (emitorul lui Q 11 ). Incarcarea in curent a referintei este extrem de redusa, practic numai curentul de baza al Q 7. Pentru acest circuit se va verifica: 1. incarcarea in curent (trebuie sa fie << decat curentul prin Q 6 );. lipsa interferentelor cu circuitul de pornire in regim normal de functionare. Daca este posibil se va dimensiona R 1 in punctul de drift nul cu temperatura al TEC-J pentru a asigura o independenta sporita fata de acest parametru.. Amplificatorul de eroare Tranzistoarele din etajul diferential de intrare Q 1, vor functiona in mod simetric la un curent mai mic decat I DSS / (Q 1, Q, Q 3 se aleg de tip BF56 cu parametri de catalog I DSS =6 10mA, V T = -1-3V, V DSmax = 30V) pentru a putea permite maximum excursiei asimetrice in curent intre tranzistoare. Suma curentilor de drena ai Q 1, este: I + I = I (1) D1 D D3 Curentul I D3 este dat de ecuatiiile: I D3 V si ID3 = IDSS3 1 V VGS3 = () R 7 GS3 (3) T Presupunind pentru parametri I DSS, V T valorile tipice: I DSS = 8mA respectiv V T = -V rezulta I D3 = ma. In cazurile cele mai defavorabile avem: (I DSS =6mA, V T =-3V) I D3 1.6mA (I DSS =10mA, V T =-1V) I D3.8mA deci intotdeuna tranzistoarele de intrare Q 1, vor functiona la un curent static de drena mai mic decat I DSS /. Curentul prin Q 1 este dat de relatia: I V R D1 = BE 4 (4)
Alegem Q 4 de tip BC 177 (pnp de mica putere) la care, conform curbelor de catalog, V BE = 0.5 0.7V pentu I C = 10mA (la t = 5 C). Tinanad sema de toleranta lui R (5%) putem determina: I D1min =0.8mA; I D1max =1.mA Intotdeauna avem un curent diferit de 0 prin Q. Curentul prin Q 4 I DSS5 (BF56, I DSS5 = 6 10mA) Compensarea functionarii nesimetrice a Q 1, Q se va face prin R 1. Alegem R 1 =1KΩ (0%) deoarece in cel mai defavorabil caz (R 1min, I D3min ) se poate compensa o tensiune de 1.1V (mai mare decat diferenta (V GS1 - V GS ) max =0.8V. Pentru acest circuit pe chema de regim dinamic avand drept sarcina regulatorul serie cuplat la sarcina se vor determina: a (este necesar ca a>10.000), R I, R o Obs. Pentru amplificatorul de eroare (cu reactie negativa) se vor calcula marimile de semnal mic T si R o pentru care vor fi satisfacute inegalitatile: T > 1000, R 0 < 1mohm. 3. Circuitul de protectie termica Senzorul de temperatura este Q 8. Acest tranzistor va fi plast pe radiatorul tranzistoarelor Q 1, Q 13 cat mai aproape de acestea pentru a realiza un bun contact termic. Tensiunea V BE la care acest tranzistor poate sa conduca un curent semnificativ scade cu mv/ 0 C. In consecinta se va ajusta valoarea divizorului de tensiune R 4, R 5 astfel incat tensiunea din emitorul lui Q 7 sa deschida pe Q 8 la circa 10 0 C. Tensiunea in emitorul lui Q 7 are la 7 o C valoarea: V = V V E7 z BE7 Alegem tranzistorul Q 7 de tip BC107. Cea mai mare tensiune V E4 apare la temperaturi ridicate (V Bemin ; t max = 60 0 C) si este de circa 5.V. Cea mai mica tensiune apare la temperaturi scazute (V Bemax ; t min = 0 0 C) si este de circa 4.8V. Alegem tranzistorul Q 8 de tip BC 107. La 10 0 C acest dispozitiv are un V BEon 0...0.4V In consecinta divizorului de tensiune R 4, R 5 va trece tensiunea de 5.4..4.8V in 0...0.4V Acest lucru se poate realiza alegand R 4 = 10K reglabil in functie de tolerantele mentionate si R 5 =1K. Atunci cand Q 8 intra in conductie, Q 9 se va satura prin intermdiul R 13, R 3. R 13 va proteja Q 8 impotriva unui maxim de curent iar R 3 va rejecta curentul rezidual al Q 8 fata de baza lui Q 9. Alegem R 13, R 3 =1K, (I CMAXQ8 30mA<I CMAX ). Alegem Q 9 de tip BC177 cu V Cesat <0.1..0.3V la I c =50mA. Deci acest tranzistor cand va fi comandat va bloca pe Q 4 care la randul sau nu va mai alimenta in curent baza tranzistorului echivalent regulator serie, iar acesta se va bloca. 3
4. Circuitul de pornire La pornire sau dupa inactivarea regulatorului serie, functionarea circuitului nu se autoregenereaza in sensul ca dioda DZ nu va fi polarizata. Apare un punct stabil de functionare cu toate componentele active blocate. Acest punct nedorit de functionare este eliminat prin fortarea in conductie la pornire a Q 1 prin D -D 6 (alimentate prin R 13 direct din circuitul principal). Q 1 in conductie insemna curent prin Q 4 si apoi prin regulatorul serie, deci si prin Q 6. Tensiunea la bornele Dz va creste catre valoarea nominala, circuitul intrand in regim normal de functionare. Dioda D se va bloca si va izola circuitul de pornire de circuitul principal. Pentru acest circuit se vor verifica in functie de tolerantele diodelor alese daca: - Potentialul in grila lui Q 1 la pornire creste suficientastfel incat Q 4 va putea genera un curent mai mare decat I DSS5; - Dupa pornire, D se blocheaza sigura. 5. Regulatorul serie Acesta, in cel mai defavorabil caz, va suporta un curent de aproximativ 7A la o tensiune de 10V (P D = 70W). Alegem Q 1, Q 13 de tip N3055 cu datele de catalog (P Dmax =117W, β=15 100, curent maxim de colector in puls non-repetitiv 80A, I CMAX = 0A). Pentru echilibrarea curentilor se folosesc rezistoare de egalizare (au si rol de protectie). Rezistentele de protectie disipa in cel mai defavorabil caz circa 3.W. Pentru siguranta se aleg rezistori de 6W. In caz de scurtcircuit curentul maxim prin circuit se va limita la circa 100A (cand tranzistorele finale se vor satura, P dtotal =100W) inainte de arderea sigurantei de protectie. Acest circuit va fi in mod obligatoriu prevazut cu o siguranta rapida de circa 10A. Curentii prin Q 1, Q 13 sunt in cel mai defavorabil regim (R 9 =0.68Ω+0%; R 8 =0.68Ω-0%) aproximativ.8a (P d =8W) repectiv 4.A (P d =4W) deci tranzistoarele nu se vor distruge. Curentul maxim de baza pentru perechea Q 1, Q 13 este de, considerand un β pesimist de circa 10, 0.7A. Alegem Q 11 de tipul BD435. Pentru a forta un curent mare prin acest tranzistor si cand sarcina circuitului este mare se conecteaza in paralel pe jonctiunea BE a lui Q 1 o rezistenta care sa aigure un curent de circa 0.1-0.5A. Se va folosi R 7 =1Ω. Pentru a asigura un β foarte mare regulatorului serie se mai introduce un tranzistor de mica putere: Q 10 (BC107). Aceste doua tranzistoare vor fi verificate din urmatoarele puncte de vedere (in cele mai defavorabile cazuri): - curent maxim, - putere maxima disipata, - tensiune maxima. β echivalent al regulatorului serie va fi mai mare de 10.000. 6. Reteaua de reactie negativa. 4
Tensiunea de iesire din acest circuit este data de formula: V 0 =V z (R 10 + R 11 )/ R 11 Unde R 10, R 11 sunt R 10, R 11 ajustate cu valorile bratelor potentiometrului R 1. Se vor alege R 10, R 11, R 1 astfel incat sa se acopere plaja de reglaj a tensiunii V o. (Obs. uneori R 10 se poate lua 0). CONTINUTUL MINIM AL PROIECTULUI 1. Schema bloc a circuitului.. Schema electrica de detaliu si calculele de dimensionare pentru fiecare din blocurile componente ale schemei. Se vor prezenta schemele electrice (cu elementele numerotate si valorile sau tipul componentelor). Pentru fiecare componenta va fi justificata alegerea valorii (sau tipului) pe baza relatiilor de dimensionare disponibile. Componentele pasive vor avea valori STANDARD (se va preciza si tipul constructiv al componentei - de exemplu, pentru rezistoare, RBC, RPM, etc.). Dispozitivele semiconductoare vor fi de catalog. Pentru TOATE componentele se demonstreaza prin calcul functionarea sigura (nedistructiva). De exemplu, pentru orice tranzistor bipolar se va arata ca nu se depasesc valorile maxime admisibile: I CMAX, V CEMAX, P dmax, etc.. De asemenea se va demonstra prin calcul atingerea parametrilor functionali impusi in tema de proiectare. OPTIONAL 3. Simularile PSPICE (fisierele.cir, forme de unda, puncte statice de functionare, etc.) 5