STABILIZATARE DE TENSIUNE CNTINUǍ 3.1. Probleme generale Un stabilizator de tensiune continuă, STC, este un circuit care, alimentat de la o sursă de tensiune continuă ce prezintă variaţii ale tensiunii (sursă nestabilizată), furnizează la ieşire o tensiune a cărei variaţie sa fie mult mai mică. El se mai numeste în limbajul curent şi sursă stabilizată. STC sunt foarte răspândite pentru că majoritatea circuitelor electronice trebuie alimentate la tensiuni constante iar sursele cele mai obişnuite, redresoarele, au variaţii mari, în primul rând pentru că tensiunea reţelei are variaţii şi în al doilea rând fiindcă la un redresor tensiunea de ieşire scade semnificativ o dată cu creşterea curentului. a) b) Fig. 3.1. Stabilizatorul de tensiune continuă privit ca un cuadripol (a), caracteristica de ieşire ideală (b). Un stabilizator se reprezintă simplificat ca un cuadripol (figura 3.1a), tensiunea nestabilizată, U I, se aplică la intrare iar el menţine constantă tensiunea U la ieşirea conectată la o sarcină R S. La un stabilizator ideal tensiunea de ieşire, U, este constantă şi deci variaţia ei este zero (în figura 3.1b este reprezentată caracteristica de iesire tensiunecurent ideală). În cazul real există variaţii care depind mai ales de modificarea tensiunii de intrare, a curentului de ieşire (echivalent, a rezistenţei de sarcină) şi a temperaturii. capitolului); 3.1.1. Clasificarea stabilizatoarelor Există două clase mari de stabilizatoare: 1. Stabilizatoare liniare (sunt circuite analogice, ele fiind şi subiectul 2. Stabilizatoare în comutaţie. Stabilizatoarele liniare se clasifică după câteva criterii:
- după metoda de stabilizare: -cu elemente neliniare (numite şi stabilizatoare parametrice), care utilizează proprietăţile unor dispozitive electronice neliniare; -cu, ele fiind sisteme cu care utilizează o referinţă de tensiune; - după tipul elementelor utilizate: - cu elemente discrete; - cu circuite integrate; - după poziţia elementului de reglaj: - cu element de reglaj serie; - cu element de reglaj paralel. Mai exista stabilizatoare fixe sau reglabile, cu limitarea sau întreruperea curentului în cazul suprasarcinii dar şi cu cu alte protecţii complexe, mai sunt surse simple, duble sau multiple, care pot fi independente sau nu. Stabilizatoarele în comutaţie (numite şi cu acronimul SMPS - Switched Mode Power Supply) se clasifică şi ele după câteva criterii specifice: - după izolarea galvanică între ieşire şi intrare: - cu izolare; - fără izolare; - după numărul de ieşiri stabilizate: - individuale; - cu ieşiri multiple. Mai exista variante funcţie de schema de convertor de c.c. utilizată, stabilizatoare cu corecţie a factorului de putere, stabilizatoare cu circuite de comutaţie în regim cvasirezonant. comparaţie între cele două clase poate fi urmărită în tabelul 3.1. Tabelul 3.1: Caracteristici comparative ale STC Stabilizatoare liniare Nu provoacă fenomene de interferenţă electromagnetica Volum şi greutate mare Calitate mai bună a tensiunii de ieşire Parametrii dinamici superiori Randament scăzut Calitate foarte bună a stabilizării Stabilizatoare în comutaţie Sursă de zgomot electromagnetic Volum şi greutate mică, radiatoare mici Componenta mai mare a tensiunii alternative la ieşire Răspuns mai lent la variaţii rapide Randament ridicat Stabilizare cu performante mai slabe
3.1.2. Parametrii principali sursă stabilizată are două mărimi principale: 1. Tensiunea de ieşire U ; 2. Curentul maxim de iesire I M. Capacitatea de stabilizare a tensiunii de ieşire a unui STC se defineşte prin trei parametri mai importanţi. Se porneşte de la faptul că tensiunea de ieşire este influenţată decisiv de variaţia a trei mărimi: - tensiunea de intrare, U I ; - curentul de ieşire, I ; - temperatura mediului, T. U se consideră a fi o funcţie de mărimile amintite: U = f (U I, I, T). (3.1) Variaţia tensiunii de ieşire, du este: U U U du du I di dt ; (3.2) U I T I iar trecând la diferenţe finite şi introducând principalii parametri ai unui stabilizator se obţine: ΔU = 1 ΔUI + R ΔI + K θ ΔT. (3.3) S 0 Se consideră pe rând doar una dintre mărimi ca fiind variabilă şi celelalte două constante şi se definesc principalii parametri ai unui stabilizator: Coeficientul de stabilizare, S (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia tensiunii de intrare pentru I şi T constante) : S U I U I (3.4) U U Rezistenţa de ieşire, R 0 (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia curentului de ieşire pentru U I şi T constante) : R U U (3.5) I I
şi care este rezistenţa internă a schemei echivalente Thevenin a stabilizatorului, formată dintr-o sursă ideală de valoare U în serie cu rezistenţa R. Coeficientul de temperatură, K θ (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia temperaturii mediului pentru U I şi I constante) : U U K (3.6) T T Adeseori, pentru a aprecia raportul relativ al variaţiilor intrare-ieşire, în locul coeficientului de stabilizare se utilizează un parametru derivat, al variaţiilor raportate, numit factorul de stabilizare: F U U I I (3.7) / U / U Calitatea unui stabilizator mai este definită şi prin factorul de rejecţie a variaţiei la intrare, care stabileşte atenuarea, în decibeli, dintre variaţia periodică la intrare şi ieşire: U I k 20 log (3.8) U Un stabilizator ideal are infinite S, k sau F iar R şi K θ au valoarea zero. Se mai folosesc curent alte două mărimi prin care se reprezintă variaţiile tensiunii de ieşire a unui stabilizator faţă de variaţiile tensiunii de intrare (care poate fi reţeaua - line în engleză) sau ale sarcinii (load în engleză). Acestea sunt: - stabilizare la variaţia intrării sau reţelei (line regulation) - stabilizare la variaţia sarcinii (load regulation). Aceste mărimi sunt utilizate mai ales pentru caracterizarea circuitelor stabilizatoare integrate. Uneori variaţiile sunt reprezentate procentual, ca în formulele următoare: Stabilizare la U (la U I max) U (la U I min) intrare % x 100% (3.9) U max -U min I I Stabilizare la U (la I min) U (la I max) sarcina % x 100% (3.10) U nominal şi cum se poate vedea în extrasul din foile de catalog ale stabilizatorului integrat LM723:
Alteori variaţiile sunt reprezentate direct: Stabilizare la variaţia intrării = U (la U I max) - U (la U I min) (3.11) Stabilizare la variaţia sarcinii = U (la I min) - U (la I max) (3.12) şi cum se poate vedea în extrasul din foile de catalog ale stabilizatorului integrat L7805: altă mărime utilizată pentru a evalua calitatea unui stabilizator este componenta alternativă suprapusă peste tensiunea de ieşire, compusă dintr-o componentă periodică (provenită din reţea) şi alta aleatorie (zgomot), numită în literatura engleză PARD (Periodic And Random Deviation). Aceasta se măsoară în valoare efectivă sau vârf la vârf, pe o bandă de frecvenţă între 20 Hz 20 MHz, cu un instrument cu largimea de banda amintită. Fluctuaţiile mai lente sunt considerate derivă. Alti parametri sunt densitatea de putere, care evaluează raportul dintre puterea sursei şi volumul acesteia, plaja tensiunii de intrare permise, viteza de răspuns tranzitoriu la o variaţie rapidă a sarcinii. În tabelul 3.2 sunt prezentate comparativ valori ale parametrilor surselor liniare şi în comutatie. Tabelul 3.2: Parametrii STC, valori în zona superioară a performanţelor Parametrul Sursă liniară Sursă în comutaţie S 5000 2000 R 0 0,2 mω 1 mω Componenta alternativă 0,5 mv 10 mv Randament maxim 55% 95% Densitate de putere 0,03 W/cm 3 0,6 W/cm 3 Plaja tensiunii de intrare ± 10% ± 20% Răspuns tranzitoriu 50 µs 300 µs
3.1.3. Poziţionarea într-un sistem electronic Într-un sistem electronic locul stabilizatorului de tensiune continuă (S-figura 3.2) este obişnuit după un redresor (R) conectat la reţea printr-un transformator. Tensiunea de intrare a stabilizatorului este tensiunea pe condensatorul de filtrare a redresorului, (U I ), şi are o variaţie specifică, cvasi-triunghiulară. Variaţia este preluată de stabilizator astfel că tensiunea dintre intrare şi ieşire, U st, prezentată haşurat, are o variaţie similară în timp ce tensiunea de ieşire, U, este continuă. altă mărime evidenţiată în figură este curentul absorbit de stabilizator, I st, el fiind diferenţa dintre curentul furnizat de redresor şi cel de ieşire al stabilizatorului sau, altfel definit, curentul de mers în gol (în engleză - quiescent current). Într-adevăr, I este zero (stabilizatorul nu furnizează curent, adică rezistenţa de sarcină este infinită, ieşirea în gol) de la redresor este absorbit doar acest curent. Fig. 3.2. Poziţia stabilizatorului şi forma tensiunilor principale. Conectarea la reţea este prezentată simplificat în figura 3.2. În realitate un circuit complet (prezentat în figura 3.3) are mai multe elemente, cele mai multe fiind de protecţie
Fig. 3.3. Circuit de conectare la reţea. Imediat după cablul de alimentare de la reţetea este o suguranţă fuzibilă. Apoi, în paralel pe reţea, este plasat un element de protecţie la supratensiuni tranzitorii de valoare ridicată ale reţelei (Transient Voltage Suppressor TVS) care poate fi un varistor, celule de seleniu sau două diode Zener conectate inversat în serie. Acesta la rândul sau poate fi protejat cu siguranţa fuzibilă, eventual cu semnalizare. Urmează un circuit filtru pentru interferenţă electromagnetică şi radiofrecvenţă (Electro-Magnetic Interference/Radio Frequency Interference - EMI/RFI) pentru o protecţie cu dublu sens: pe de o parte opreşte zgomotul din reţea, pe de alta evită ca zgomotul sursei (semnificativ la sursele în comutaţie) sa ajungă în reţea. După filtru este comutatorul de reţea şi un circuit RC de protecţie pentru eventuale supratensiuni provocate de comutator şi doar apoi este primarul transformatorului de reţea şi redresorul. De foarte multe ori sunt necesare mai multe STC cu tensiuni de valori şi polarităţi diferite. Schema simplificată a unui astfel de circuit de alimentare cu trei tensiuni stabilizate liniare diferite (aici + 5V; + 12V; - 12V) este prezentată în figura 3.4. Au fost alese trei variante diferite pentru redresoarele monofazate.
Fig. 3.4. Circuit de alimentare cu trei tensiuni stabilizate. 3.2. Stabilizatoare parametrice Stabilizatoarele parametrice utilizează direct elemente rezistive neliniare care au o caracteristică curent-tensiune cu o zonă de tensiune aproape constantă pe o plajă relativ largă de curenţi (rezistenţa dinamică este foarte mică). Astfel de elemente sunt joncţiunile semiconductoare dar şi unele tuburi cu descărcare în gaz. Cel mai utilizat element este dioda Zener. 3.2.1. Stabilizator cu diodă Zener Schema cea mai simplă şi mai folosită este prezentată în figura 3.5.
Fig. 3.5. Stabilizator parametric cu diodă Zener. Dioda Zener trebuie polarizată în regiunea inversă, peste punctul de străpungere, astfel că U I trebuie să fie mai mare decât tensiunea de străpungere a diodei, U Z. Rezistenţa R se mai numeşte rezistenţă de balast şi ea limitează curentul prin diodă la valori nepericuloase. Performanţele acestui stabilizator sunt modeste şi sunt date de urmatoarele relaţii: R S (3.13) rz R (3.14) r Z 3.2.2. Calculul unui STC cu diodă Zener bişnuit pentru un stabilizator se cer: - tensiunea de ieşire - U - curentul maxim de ieşire - I M atunci când se cunoaşte evoluţia tensiunii de intrare, U I, care variază între două valori: - U Im tensiunea de intrare minimă; - U IM tensiunea de intrare maximă Stabilizatorul funcţionează bine atâta vreme cât dioda Zener este în zona de stabilizare iar puterea pe diodă este sub limita permisă, adică prin diodă curentul, I Z, nu scade sub o valoare minimă şi nu creşte peste o valoare maximă, ambele evaluate din foile de catalog, situaţiile limită fiind prezentate în continuare. 1. Curentul prin diodă este la limita inferioară atunci când tensiunea de intrare este la valoarea minimă iar curentul prin sarcină este maxim; 2. Curentul prin diodă este la limita superioară atunci când tensiunea de intrare este la valoarea maximă iar curentul prin sarcină este minim; Alegerea diodei La alegerea diodei se va ţine cont de două lucruri: - tensiunea Zener a diodei se va alege tensiunea de ieşire, U ;
- puterea diodei trebuie să fie mai mare cu 20 50% decât puterea de ieşire maximă: P M = U I M (3.15) Ultima condiţie poate fi echivalată cu o condiţie de curenţi, şi anume curentul maxim al diodei să fie cu 20 50% mai mare decât curentul maxim de ieşire. În funcţie de datele de catalog se va utiliza una sau alta dintre ele. Calculul R Rezistenţa R trebuie să asigure curentul minim prin dioda Zener, I Zm, în condiţiile: - U Im - tensiunea de intrare minimă; (3.16) - I M - curentul maxim de ieşire. Curentul prin R este în aceste condiţii: I R U U Im = I Zm + I M (3.17) R de unde va rezulta R, care va fi o valoare maximă (fiind calculată pentru un curent minim). Rezistenţa fizică aleasă va fi obişnuit puţin sub această valoare. nu este precizat un curent I Zm în foile de catalog acesta se alege de ordinul a 1-5% din curentul maxim. În final se face o verificare a curentului maxim prin dioda Zener în condiţiile: - U IM - tensiunea de intrare maximă; (3.18) - I =0 - curentul minim de ieşire I ZM = I RM = U IM U (3.19) R se obţine un curent mai mare decât cel al diodei alese se va alege o diodă de curent (putere) mai mare. 3.2.3. Mărirea coeficientului de stabilizare, S Coeficientul de stabilizare S poate fi imbunatăţit prin mărirea rezistenţei de balast (relaţia 3.13), dar asta are efect de micşorare a curentului maxim al stabilizatorului. El mai poate fi mărit însă şi prin conectarea în cascadă a două celule (figura 3.6). În acest caz coeficientul de stabilizare devine produsul coeficienţilor de stabilizare ai fiecăruia dintre cele două stabilizatoare. Dezavantajul este că se micşorează curentul maxim posibil dar această micşorare este mult mai mică decât în cazul în care este mărită doar rezistenţa de balast
Fig. 3.6. Îmbunătăţirea coeficientului de stabilizare prin conectarea în cascadă a două celule. Pentru a micşora rezistenţa interna a unui stabilizator liniar singura soluţie este utilizarea i (a se vedea şi relaţia 3.14). 3.3. Stabilizatoare serie cu reacţie La stabilizatoarele cu tensiunea de iesire U este comparată cu o tensiune fixă, numită tensiune de referinţă, furnizata de un element referinţă de tensiune. În cazul obişnuit referinţa este un stabilizator parametric cum sunt cele din paragraful anterior. Calitatea referinţei decide calitatea stabilizatorului astfel că este nevoie se utilizează referinţe de precizie. Comparaţia este făcută în cele mai multe cazuri de un amplificator numit şi de eroare, pentru că amplifică diferenţa celor doua tensiuni (eroarea). Tensiunea de eroare amplificată comandă un element de control care acţionează în sensul micşorării erorii. Dupa poziţia elementului de control faţă de sarcină se disting: - stabilizatoare serie, la care elementul de control este în serie cu sarcina; - stabilizatoare paralel, mai puţin utilizate, la care elementul de control este în paralel cu sarcina. 3.3.1. Schema bloc a unui stabilizator serie cu reacţie Schema bloc a unui stabilizator de tip serie este prezentată în figura 3.7. Blocul referinţă de tensiune furnizează tensiunea U Ref. De obicei tensiunea de ieşire nu este comparată direct cu aceasta ci este preluată printr-un traductor care furnizează o tensiune ku, proporţională cu tensiunea de ieşire. Traductorul este de cele mai multe ori un simplu divizor rezistiv. Diferenţa celor doua este semnalul de eroare: U Er = ku - U Ref (3.20) care este amplificat iar rezultanta, A U (ku -U Ref ) este tensiunea care controlează elementul de control serie în aşa fel încât orice tendinţă de variaţie a tensiunii la ieşire să fie compensată.
De exemplu, o scădere a rezistenţei de sarcină provoacă prin acest mecanism o crestere a curentului prin elementul de control şi implicit la ieşire astfel încât tensiunea de ieşire să se menţină constantă. Fig. 3.7. Schema bloc a unui stabilizator serie. 3.3.2. Stabilizator serie cu tranzistor Cel mai simplu stabilizator serie cu, a cărui schemă este prezentată în figura 3.8, utilizează un stabilizator parametric cu diodă Zener ca referinţă de tensiune şi un tranzistor care are simultan rol de comparator şi element de control serie. Fig. 3.8. Stabilizator serie cu diodă Zener şi tranzistor Funcţionarea schemei poate fi apreciata printr-o analiză directă. Se vede că: U = U Ref - U BE ( 0,7V) (3.21)
unde U Ref se presupune constantă. Deoarece tensiunea U BE a unui tranzistor are variaţii mici pentru un domeniu întins de curenţi se poate aprecia că: U constantă Rezistenţa interna este mult mai mică faţă de stabilizatorul fără tranzistor: r R Z (3.22) unde β este factorul de amplificare în curent al tranzistorului. Coeficientul de stabilizare S rămâne acelaşi cu cel de la stabilizatorul cu diodă Zener (relaţia 3.13) dar în cazul de aici rezistenţa de balast R este mult mai mare, şi la fel S, deoarece prin ea circulă un curent de β ori mai mic. Calculul stabilizatorului serie cu tranzistor Calculul acestui stabilizator este asemănător cu al stabilizatorului cu diodă Zener. Alegerea diodei se face conform relaţiei 3.21, tensiunea diodei fiind cu aproximativ 0,7 mai mare decât tensiunea de ieşire. Tranzistorul se alege astfel încât să suporte tensiunea maximă de intrare, curentul maxim de ieşire şi puterea disipată maximă: U CE0 > U IM ; I C > I M ; (3.23) P D > I M (U IM - U ). Calculul R se face pentru aceleaşi condiţii (3.16) şi ţine cont de faptul că prin ea I circulă curentul prin diodă plus curentul de baza al tranzistorului ( ) şi relaţia devine aici: I R U Im U 0,7 I Zm + R I M (3.24) În final se face verificarea curentului maxim prin dioda Zener în condiţiile (3.18): U IM U 0, 7 I ZM = I RM = (3.25) R 3.3.3. Stabilizator serie cu amplificator de eroare Performantele acestei scheme sunt mult mai bune decât ale celor fără amplificator, dar acestea pot fi îmbunătăţite foarte mult sunt utilizate elemente, blocuri sau configuraţii cu performanţe superioare. Î vor fi prezentate în subcapitolele următoare. Schemele de stabilizatoare serie cu şi amplificator de eroare sunt dintre cele mai diverse. Una dintre cele mai utilizate este prezentată în figura 3.9.
Ca amplificator de eroare este utilizat un amplificator diferenţial format din tranzistoarele T 1 şi T 2, care are avantajul unei sensibilităţi mici la variaţii ale tensiunii de intrare şi a ale temperaturii. Traductorul este un divizor rezistiv format din rezistenţele R 4 şi R 5. Adeseori între acestea este pus un potenţiometru cu care se poate regla tensiunea de ieşire a stabilizatorului prin modificarea constantei de divizare. Referinţa de tensiune este un stabilizator parametric, R, D Z iar elementul de control serie este un tranzistor. Fig. 3.9. Stabilizator serie cu amplificator diferenţial. 3.3.5. Elementul de control Elementul de control este, la schema serie cu reactie, un tranzistor în conexiune CC, sarcina fiind în emitor, avantajul fiind o rezistenta de intrare mare şi o rezistenţă de ieşire mica. În plus configuraţia suporta tensiuni mai mari şi are o mai buna stabilitate decât varianta cu sarcina în colector. Dezavantajul este că buna funcţionare implică o cădere de tensiune minimă de câţiva volti pe tranzistor. Din acest motiv atunci când, mai ales la STC a căror sursă de intrare este o baterie de tensiune joasă - şi sunt nenumarate aplicaţii de acest tip astăzi - căderea de tensiune pe elementul de control trebuie să fie cât mai mică, se utilizează varianta cu sarcina în colector. La curenţi de ieşire sub 1A este de obicei suficient un singur tranzistor. La curenti mai mari însă sunt utilizate combinaţii de tranzistoare ca element de control. Conexiunea Darlington Conxiunea Darligton (figura 3.13a -analizată în capitolul 5) este o combinaţie de două tranzistoare, echivalentă cu un tranzistor cu amplificarea de curent şi rezistenţa de intrare mărite de β ori (factorului de amplificare în curent). Efectul principal este
micşorarea rezistenţei interne a stabilizatorului care depinde, la stabilizatoarele cu, atât de amplificarea amplificatorului, care la rândul ei este proporţională cu rezistenţa de intrare a tranzistorului serie, cât şi de factorul de amplificare al tranzistorului regulator. a) b) Fig. 3.13. Conxiunea Darligton. Cele două tranzistoare disipă puteri mult diferite, fiind polarizate colector-emitor cu tensiuni apropape egale (diferenţa este 0,7, tensiunea bază-emitor a T 1 ) dar parcurse de curenţi mult diferiţi deoarece: I = β 1 I B1 Tranzistorul T 2 are obişnuit o putere de căteva zeci de ori mai mică decât T 1. Nu este deloc neobişnuit să fie utilizate combinaţii de trei tranzistoare în conexiune Darlington, ca în figura 3.13b. Deoarece tranzistorul T 1 functioneaza la curenti mari şi se incalzeste, curentul I CB) poate deveni important şi poate deregla regimul dinamic la blocare, iar drept urmare tensiunea de iesire are o supracrestere temporara. Din acest motiv tranzistoarele de putere au atasata o rezistenta de drenare a curentului I CB0 asa cum se poate vedea în figura 3.14. Fig. 3.14. Conectarea rezistenţei de drenare a curentului I CB0 Tranzistoare paralel Atunci când curenţii de iesire sunt mari adeseori tranzistorul de control serie este format din tranzistoare identice, puse în paralel, o combinaţie de astfel de doua tranzistoare (dar ele pot fi mult mai multe) fiind prezentată în figura 3.15:
Avantajele unei astfel de combinaţii sunt un preţ mai mic faţa de un singur tranzistor de putere mai mare şi un factor de amplificare mai mare, acesta scăzând semnificativ o dată cu creşterea puterii tranzistorului. Deoarece tranzistoarele pot avea diferenţe notabile între curenţii principali funcţie de tensiunea bază-emitor (identică în cazul legarii paralel), poate apare o diferenţa similară de incărcare (putere disipată). În acest caz unul dintre tranzistoare este mai solicitat şi în consecinţa temperatura sa creste mai mult iar acest lucru va mări şi mai mult curentul prin acel tranzistor ceea ce conduce la un fenomen de ambalare termica care va dezechilibra puternic valorile curenţilor prin cele doua tranzistoare şi se poate ajunge la distrugerea celui mai solicitat. Fenomenul este eliminat practic se utilizează rezistenţe de egalizare, de valoare mică, conectate în serie cu emitoarele, cum se observă în figura. Cu cât valoarea rezistenţei este mai mare, dezechilibrul se micşorează, dar o valoare mare înseamnă mărirea căderii de tensiune pe elementul serie şi pierderi de putere. Alegerea se face printr-un compromis, valorile curente fiind fracţiuni de ohm. Fig. 3.15. Conectarea în paralel a două tranzistoare de putere Tranzistoare cu sarcina în colector La stabilizatoarele de tensiune mică, în principal la cele alimentate de la baterii, este critică valoare căderii de tensiune pe tranzistorul de reglaj serie şi se preferă conectarea sarcinii în colector, figura 3.16a. Se asigură în acest fel o cădere de tensiune mică (LD - low drop out) care poate începe de la 0,1V. a) b) Fig. 3.16. Elemente de control serie pentru stabilizatoare de tensiuni mici 3.5.1. Stabilizatoare în trei puncte
Stabilizatoarele în trei puncte sunt realizate în doua variante principale: - cu tensiune de iesire fixa - cu tensiune de iesire reglabila si au, dupa cum le spune numele, doar trei puncte de acces: intrarea, iesirea şi fie punctul comun, în cazul stabilizatoarelor cu tensiune de iesire fixa, fie un punct pentru reglare în cazul stabilizatoarelor cu tensiune de iesire reglabila. Ele se mai impart în doua categorii dupa polaritatea tensiunii, fiind: - stabilizatoare de tensiune pozitiva - stabilizatoare de tensiune negativa Avantajele principale sunt simplitatea şi pretul scazut. Ele au protectie termica (la supraincalzirea circuitului) şi la suprasarcina. Stabilizatoare fixe în trei puncte (L78xx, L79xx) Stabilizatoarele fixe sunt cele mai ieftine şi mai uşor de utilizat dar au dezavantajul că tensiunea de ieşire este doar de anumite valori şi care nici nu pot fi reglate cu precizie. Cele mai folosite familii de circuite stabilizatoare fixe în trei puncte sunt L78xx, stabilizatoare de tensiune pozitiva şi L79xx, stabilizatoare de tensiune negativa. Valorile xx sunt: 05, 52, 06, 08, 85, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 24 şi corespund unor tensiuni de iesire fixe de 5; 5,2; 6; 8; 8,5; 9; 10; 12; 15; 18; 20 şi 24 volti. Schemele de utilizare recomandate de fabricant sunt prezentate în figurile 3.36 (stabilizator de tensiune pozitivă cu L78xx) şi 3.37 (stabilizator de tensiune negativă cu L79xx). Fig. 3.36. Schema de utilizare pentru stabilizatorul 78xx.
Fig. 3.37. Schema de utilizare pentru stabilizatorul 79xx. Schema bloc a acestor stabilizatoare (figura 3.38), evidenţiază elementele principale din schema bloc generală din figura 7, la care se adauga un circuit pentru o pornire sigura şi doua circuite de protecţie, unul de protecţie termica şi al doilea pentru depăşirea suprafeţei sigure de lucru, SA (Safe perating Area). Fig. 3.38. Schema bloc a stabilizatoarele 78xx şi 79xx. Stabilizatoare reglabile în trei puncte (LM317, LM337) Cele mai utilizate circuite stabilizatoare reglabile în trei puncte sunt LM317, stabilizator reglabil de tensiune pozitiva şi LM337, stabilizator reglabil de tensiune negativa. In esenta circuitul mentine constanta o tensiune de 1,25V intre terminalul de iesire şi cel de reglaj. Principiul e ilustrat în figura 3.39 pentru varianta pozitiva (lucrurile fiind similare şi pentru varianta negativa)
Fig. 3.39. Principiul de functionare al stabilizatorului reglabil LM317. Daca tensiunea notata cu V REF este constanta, atunci se deduce simplu că, dacă se neglijeaza curentul absorbit de stabilizator, I ADJ+, care are o valoare de aproximativ 50µA, tensiunea de iesire este: (3.38) R Tensiunea minima este 1,25V atunci cand 2 U 1,25 1 rezistenta reglabila este zero. Tensiunea maxima R1 depinde de raportul rezistentelor R 1 şi R 2. conditie suplimentara este ca în cel mai defavorabil caz (tensiune de iesire minima): I 1 >>50µA (3.39) Schema de utilizare este prezentata în figura 3.40. Diodele au rol de protectie, analizat în paragraful despre protecţia stabilizatoarelor Fig. 3.40. Schema de utilizare a stabilizatorului reglabil LM317. Utilizarea încrucişată a stabilizatoarelor în trei puncte Existenţa stabilizatoarelor pentru tensiuni pozitive şi negative nu înseamnă că ele sunt destinate exclusiv pentru realizarea surselor stabilizate de polaritatea destinată de
fabricant. Ele pot fi utilizate şi pentru polaritatea opusă, un exemplu fiind prezentat în figura 3.41 unde stabilizatorul de tensiune nagativă, L79xx este utilizat pentru a realiza o tensiune stabilizată pozitivă. Fig. 3.41. Stabilizator de tensiune pozitivă cu stabilizatorul de tensiune negativă, L79xx. Deosebirea fundamentală faţă de circuitul din figura 3.36 este că sursa nestabilizată şi sursa stabilizată nu au un punct comun de masă, sursa nestabilizată fiind flotantă. Alte stabilizatoare integrate în trei puncte Stabilizatoarele în trei puncte prezentate sunt doar cele mai utilizate circuite de acest fel. Exista multe alte variante, cu alti parametri, cum sunt tensiunile sau curentii de iesire, tensiunile minime de intrare, curentii absorbiti de stabilizator (quiescent current). Exista circuite de tensiuni ridicate HV sau de curenti mari, pana la 10A dar şi circuite economice, cu curenţi de mers în gol de ordinul μa. 3.6. Protecţia stabilizatoarelor Stabilizatoarele sunt circuite foarte utilizate, de care depinde buna funcţionare a mai multor altor circuite electronice, motiv pentru care fiabilitatea stabilizatoarelor este o preocupare foarte importantă. bişnuit un stabilizator este în pericol în cazul unor regimuri de avarie ale circuitelor de alimentare nestabilizată (redresoarelor) sau ale sarcinii (de obicei alte circuite electronice). Regimul de avarie cel mai des întâlnit şi cel mai priculos pentru stabilizatoarele serie este cel de suprasarcina sau supracurent, în care rezistenţa totala a sarcinii scade sub valoarea minimă admisă şi care provoacă creşterea curentului de ieşire peste valoarea maxim admisibilă. La limită, dacă rezistenţa scade la zero regimul se numeşte de scurcircuit. Fără circuite speciale de protecţie la suprasarcină sau scurtcircuit, prin natura lor, la stabilizatoarele cu reactie serie curentul de ieşire poate creşte până la maximul posibil dat de sursa nestabilizată, curent care este cu cel puţin un ordin de mărime mai mare decât curentul nominal. Solicitarea în curent a elementului de control care este parcurs de
curentul de ieşire (un tranzistor - sau o combinaţie de tranzistoare), creşte similar iar dacă se depăşeste valoarea maxim admisibilă acesta se arde. Defectarea poate avea loc şi dacă nu se depăşeşte curentul maxim dar dacă se depăşeşte puterea disipată (produsul curent-tensiune pe element) maximă a tranzistorului (adică se iese din aria de funcţionare sigură - SA). Un efect agravant al regimului de suprasarcină şi mai ales de scurtcircuit este că şi tensiunea pe elementul de control creşte în condiţiile în care stabilizatorul suprasolicitat iese din plaja de stabilizare şi tensiunea de ieşire scade (chiar la zero în cazul regimului de scurtcircuit) astfel că puterea disipată creşte suplimentar. Defectarea tranzistorului principal la depăşirea SA nu se face instantaneu ci întrun interval de timp care poate ajunge la minute. 3.6.1. Protecţia la suprasarcină şi scurtcircuit Protecţiile la suprasarcină şi scurtcircuit intră în acţiune atunci când curentul depăşeste o valoare prescrisă şi asigură o limitarea a curentului la valori nepericuloase pentru elementul de control serie. Ele se împart în două categorii în funcţie de modul de acţiune şi corespunzător există două variante (prezentate în figura 3.42) pentru caracteristicile curent tensiune. a) b) Fig. 3.42. Tipuri de caracteristici curent tensiune pentru stabilizatoarele cu protecţie la suprasarcină. În primul caz se limitează curentul dupa trecerea de punctul de curent maxim şi, dacă rezistenţa de sarcină ajunge la zero, se ajunge la un curent de scurtcircuit, I Ssc, puţin mai mare decât curentul maxim (3.42a). În acest fel însa tensiunea pe tranzistor creşte iar puterea disipata pe tranzistor este mult mai mare decât puterea la funcţionarea în domeniul normal. Stabilizatorul nu poate rămâne în regim de scurtcircuit decât un timp limitat. A doua produce o întoarcere a caracteristicii şi un curent de scurtcircuit mult mai mic decât curentul maxim admis (figura 3.42b). În acest fel puterea disipata pe tranzistor este comparabilă cu puterea rezultată din funcţionarea în domeniul normal iar sstabilizatorul poate rămâne în regim de scurtcircuit fară riscuri. În figura 3.43 este prezentată varianta de circuit ce produce doar limitarea curentului.
Schema are două elemente şi ce poate fi adoptata la toate stabilizatoarele serie cu reactie şi amplificator de eroare. T este elementul de reglaj serie iar R P este o rezistenţă mică prin care trece curentul de sarcină I care produce o tensiune egala cu R P I iar T P este tranzistorul de protecţie. Pentru I < I Smax tensiunea R P I < U BE de deschidere a tranzistorului de protecţie, aproximativ 0,6V, şi acesta este blocat. La valori I > I Smax T P se deschide şi preia din curentul de comandă furnizat de amplificatorul de eroare. Se realizează astfel o limitare a curentului de sarcină. Fig. 3.43. Schemă de protecţie cu limitarea curentului. În figura 3.44 este prezentată varianta de schema numită cu întoarcere şi care produce micşorarea curentului de scurtcircuit faţă de curentul maxim prin sarcină. Se observa că, pentru tranzistorul de protectie, T P : U BE = R P I - ku După deschiderea T P, prin acţiunea de deviere a curentului, tensiunea de ieşire U scade, scade ku şi deci U BE creşte şi creşte curentul preluat de la amplificatorul de eroare. În acest fel se micşorează, nu doar se limitează, curentul de comandă al tranzistorului principal şi deci şi curentul principal.
Fig. 3.44. Schemă de protecţie cu micşorarea curentului de scurtcircuit. 3.6.2. Protectie cu diode la inversarea accidentală a tensiunilor pe tranzistoare Inversarea accidentală a tensiunilor pe tranzistoare sau pe circuitele integrate din stabilizatoare poate provoca distrugerea acestor elemente. Situaţii de acest fel apar mai ales când se produc scurcircuite la sarcină sau la intrare. protecţie simplă este cu diode şi este chiar recomandată de producător pentru unele circuite cum sunt stabilizatoarele integrate reglabile în trei puncte şi după cum se poate vedea în figura 3.40. Aici dioda D 1 protejează la scurtcircuit pe intrare, caz în care tensiunea de ieşire apare (pe timp scurt, până la descarcarea condensatorului de la ieşire) pe elementul de reglaj serie şi are polaritate inversă decât tensiunea pe acelaşi element în funcţionare normală. Prezenţa diodei (care se deschide) limiteaza această tensiune inversă la 0,7V. A doua diodă, D 2 protejează la scurtcircuit pe ieşire, caz în care tensiunea între punctele UT şi ADJ schimbă sensul devenind egală, în momentul iniţial al scurtcircuitului, cu tensiunea pe condensatorul C A. Dioda limitează şi în acest caz tensiunea inversă la valoarea 0,7V. altă situaţie care cere plasarea unor diode de protecţie (de data asta pe ieşirea stabilizatoarelor) apare când sunt utilizate surse înseriate (figura 3.45) iar sarcina este între extremităţi, aşa cum se întâmplă de exemplu la alimentarea amplificatoarelor operaţionale. Un scurtcircuit pe sarcină poate inversa tensiunea la bornele de ieşire ale stabilizatoarelor dar prezenţa diodelor limitează această tensiune inversă la 0,7V.
Fig. 3.45. Protecţie cu diode pe ieşiri la sursele stabilizate înseriate. un tranzistor pnp de comandă urmat de unul de putere npn denumită cvasi-ld, este prezentată în figura 3.16b, caz în care căderea de tensiune poate începe de la 0,9V. Combinaţia se numeste şi tranzistor Darlington cu schimbare de polaritate deoarece este echivalenta cu un tranzistor, aici pnp, complementar celui de putere, aici npn. Trebuie precizat că varianta cu tranzistor npn este totuşi mai utilizată fiindcă este în primul rând mai stabilă, apoi are rezistenţă de intrare mai mare şi deci amplificare mai mare a amplificatorului de eroare şi rezistenţă de ieşire mai mică care asigură un regim dinamic mai bun, mai ales pe sarcini capacitive. Tranzistoare MS Adeseori pentru realizarea LD sunt preferate tranzistoarele de putere MS. Cele de tip P-MS sunt utilizate direct (figura 3.17a), caderea de tensiune fiind de pana la 0,3V iar cele de tip N-MS fie direct (variantele mai noi fiind deasemenea cu rezistenţă R N mică) în combinaţie cu un P-MS de mică putere (figura 3.17b). a) b) Fig. 3.17. Elemente de control serie cu tranzistorare MS pentru stabilizatoare LD: cu canal p (a) şi combinaţie canal n şi p (b).