Stabilizatoare de tensiune continua

Stabilizatoare de tensiune continua

Stabilizatoarele de tensiune continua reprezinta circuite electronice care, uzual, se intercaleaza intre circuitele de redresare si consumator, pentru a asigura o tensiune continua si, important, constanta consumatorului. Exista cel putin trei motive care justifica prezenta lor si anume:

tensiunea continua de la iesirea redresorului variaza functie de tensiunea alternativa de la intrare;

tensiunea continua de la iesirea redresorului variaza functie de valoarea curentului debitat;

tensiunea continua de la iesirea redresorului variaza functie de temperatura.

Cunoscute in literatura de specialitate si sub denumire de surse stabilizate, stabilizatoare de tensiune continua sunt realizate atat in tehnologie integrata cat si discreta. Din punct de vedere topologic exista o multitudine de variante. Prezentul capitol isi propune sa prezinte cateva dintre solutiile de principiu care stau la baza variantelor constructive. Din acest punct de vedere capitolul este structurat dupa cum urmeaza:

Subcapitolul intai este dedicat problemelor generale. Sunt definiti parametrii de interes ai stabilizatoarelor. De asemenea sunt prezentate mai multe tipuri de clasificari ce se intalnesc in literatura de specialitate.

Subcapitolul doi prezinta problemele specifice ale stabilizatoarelor parametrice.

Subcapitolul trei detaliaza cateva dintre solutiile uzuale utilizate de circuitistica stabilizatoarelor cu reactie. Sunt prezentate solutii de principiu.

Subcapitolul patru prezinta un exemplu practic de stabilizator cu reactie.

In final trebuie mentionat ca acest capitol nu prezinta stabilizatoarele in comutatie.

1. Preliminarii

Stabilizatorul de tensiune este un circuit care asigura la iesire o tensiune independenta de:

tensiunea de alimentare;

curentul de iesire;

temperatura.

Figura 1 prezinta modul de definire a principalelor marimi electrice utilizate in studiul stabilizatoarelor.

unde:

v_RED, i_RED tensiunea si curentul de alimentare a stabilizatorului. Indicele '_RED' semnifica faptul ca aceste marimi sunt culese de la iesirea unui redresor (valori instantanee totale);

v_L, i_L tensiunea si curentul debitate de stabilizator valori instantanee totale);

R_L    consumatorul (sarcina).

Tinand cont de notatiile introduse in figura 1, se poate scrie:

v_L=v_L(v_RED,i_L,T)    (1)

unde T este temperatura.

Pornind de la relatia 1 se pot defini, in conditii de semnal mic, urmatorii parametrii pentru caracterizarea stabilizatoarelor de tensiune:

a.) coeficient de stabilizare,

(2)

b.) rezistenta de iesire

(3)

c.) coeficient de stabilizare termica

(4)

Clasificari uzuale ale stabilizatoarelor. Exista mai multe criterii de clasificare a stabilizatoarelor. Se vor prezenta numai trei dintre ele si anume:

dupa principiul de functionare;

dupa marimea electrica comandata;

dupa alura caracteristicii externe.

Dupa principiul de functionare stabilizatoarele se impart in:

parametrice; functionarea lor se bazeaza pe neliniaritatea caracteristicii curent-tensiune a unui dispozitiv electronic (de obicei dioda Zener)

cu reactie; functia de stabilizare este realizata prin intermediul unei reactii negative; aceasta clasa de stabilizatoare, de altfel cea mai raspandita, se imparte in alte doua subclase:

subclasa stabilizatoarelor in comutatie; cele in care dispozitivele active lucreaza in comutatie

subclasa stabilizatoarelor analogice; cele in care dispozitivele active lucreaza in regim activ normal; in principiu ele lucreaza in regim liniar.

Dupa marimea electrica comandata exista de asemenea doua subclase:

stabilizatoare serie, stabilizatoare care sunt conectate in serie cu sarcina. Figura 2 prezinta o asemenea situatie. Se poate observa ca stabilizatorul a fost reprezentat ca o rezistenta variabila. Din acest punct de vedere intreg ansamblul se comporta ca un divizor de tensiune, rezistenta variabila fiind astfel comandata, incat tensiunea pe sarcina sa ramana constanta.

stabilizatoare paralel, stabilizatoare care sunt conectate in paralel cu sarcina. In figura 3 se prezinta schema de conectare a unui asemenea stabilizator. De aceasta data intreg ansamblul se comporta ca un divizor de curent, aceasta explicand necesitatea introducerii rezistentei de balast R_B

Dupa alura caracteristicii externe a redresorului. Caracteristica externa a unui redresor reprezinta legatura functionala:

V_L=V_L(I_L)    (5)

unde:

V_L    componenta continua a tensiunii de iesire;

I_L    componenta continua a curentului de iesire;

Figura 4.4 prezinta reprezentarea grafica a relatiei (5). Se poate constata ca in cazul redresorului ideal de tensiune caracteristica are panta zero. Observand ca valoarea pantei reprezinta tocmai valoarea rezistentei de iesire:

(6)

se poate deduce o metoda utila pentru masura rezistentei de iesire.

Revenind la analiza caracteristicii de iesire trebuie mentionat ca in situatii reale curentul debitat de stabilizator este limitat fizic la o anumita valoare. Exista mai multe metode pentru realizarea acestui lucru. Din acest punct de vedere exista de asemenea doua subclase, si anume:

stabilizator cu limitare la o valoare fixa a curentului de iesire (figura 5); se poate constata ca pana la valoarea I_COT stabilizatorul se comporta ca o sursa de tensiune; este de dorit ca:

I_COT=I_SCURCIRCUIT    (7)

stabilizator cu limitare prin intoarcere a curentului de iesire (figura 6)

2 Stabilizatoare parametrice

Se va prezenta stabilizatorul parametric cu dioda Zener.

a.) Schema este prezentata in figura 7.

b.) Rolul elementelor

R_L    rezistor de sarcina;

R_B    rezistor de balast; asigura conditia indiferent de variatiile lui v_RED, precum si ale lui R_L;

Dz    dioda Zener; caracteristica statica este prezentata in figura 8; in regim normal (regimul in care tensiunea de la bornele ei este V_Z) aceasta dioda lucreaza la polarizare inversa in regiunea de strapungere; daca valoarea curentului prin ea respecta conditia:

(7)

atunci tensiunea la bornele ei este aproximativ V_Z.

c.) Analiza de semnal mare. Se prezinta calculul caracteristicii de transfer:

v_L=v_L(v_RED)    (8)

Acest lucru presupune parcurgerea algoritmului tipic de rezolvare a oricarei probleme de electronica:

I ) Modelarea circuitului Schema echivalenta de semnal mare a circuitului din figura 7 este prezentata in figura 9.

Se poate observa ca modelul de semnal mare al diodei Zener cuprinde sursa de tensiune V_Z inseriata cu rezistorul de valoare R_Z. Valorile acestor elemente de circuit se determina cu ajutorul caracteristicii statice. Ele reprezinta:

V_Z     valoarea tensiunii Zener;

R_Z panta globala a caracteristicii in domeniul de stabilizare.

II. ) Dezvoltarea modelului matematic. Aplicand teoremele lui Kirchhoff se obtine:

i_RED=i_Z+i_L    (9)

V_Z=-i_ZR_Z+i_LR_L    (10)

-V_Z=i_REDR_B+i_ZR_Z-v_RED    (11)

III.) Determinarea solutiei. Introducand notatiile:

(12)

(13)

(14)

expresia tensiunii de iesire devine:

(15)

Reprezentarea grafica este prezentata in figura 10

Tinand seama de faptul ca in situatiile reale

R_B>>R_Z    (16)

R_L>>>R_Z    (17)

relatia (15) se aproximeaza suficient de bine:

(18)

ceea ce sustine afirmatia ca montajul din figura 7 se comporta ca un stabilizator de tensiune.

d.) analiza de semnal mic. Prezinta calculul coeficientului de stabilizare si al rezistentei de iesire.

d₁.) calculul coeficientului de stabilizare. Se va aplica relatia (2). Pentru acest lucru este necesar ca schema din figura 7 sa fie modelata in semnal mic(fig. 11).

Se poate constata ca dioda stabilizatoare a fost modelata prin rezistenta ei in semnal mic. Prin simpla inspectia a schemei se obtine:

(19)

Intrucat in situatiile reale

r_z<<R_L    (20)

relatia conditii (19) se aproximeaza:

(21)

Factorul de stabilizare devine:

(22)

Daca in aceasta ultima relatie se tine cont de simplificarile introduse de observatia continuta in relatia (17) pentru factorul de stabilizare se obtine expresia uzuala:

(23)

d₂.) calculul rezistentei de iesire. In acest caz schema echivalenta de semnal mic este:

Se poate constata ca intrarea a fost pasivizata. Rezistenta de iesire va fi:

(24)

e.) Imbunatatiri. In continuare se vor prezenta cateva variante de stabilizatoare parametrice care rezolva urmatoarele doua probleme:

marirea coeficientului de stabilizare

marirea curentului de iesire

e₁.) Marirea coeficientului de stabilizare; Pentru marirea coeficientului de stabilizare una dintre cele mai comode solutii o constituie cuplarea in cascada a mai multor etaje de tipul celui analizat. Schema din figura 13 prezinta un montaj format din doua etaje

Este usor de observat ca in acest caz:

(25)

(26)

e₂) Marirea curentului de iesire Introducerea tranzistorului T intre sarcina si iesirea diodei Zener, ca in figura 14, permite marirea curentului din sarcina de aproximativ b ori. Inspectia schemei pune in evidenta faptul ca R_B si Dz joaca rolul unui stabilizator parametric obisnuit. Tranzistorul T (conexiune colector comun) joaca rolul unui etaj tampon intre sarcina si stabilizatorul parametric amintit. Acesta observatie pune in lumina un alt avantaj major al montajului si anume micsorarea rezistentei de iesire . Aceasta are valoarea aproximativa:

(27)

Tensiunea de pe sarcina va avea valoarea:

v_L=V_Z-V_BE    (28)

ramanand practic constanta.

3 Stabilizatoare cu reactie

Introducerea reactiei negative in structurile stabilizatoarelor se justifica prin facilitatile care le aduce in ajutorul proiectantilor in obtinerea unor parametri mult imbunatatiti. Dupa cum a fost mentionat exista doua tipuri fundamentale de stabilizatoare cu reactie:

stabilizatoare cu reactie analogice, si

stabilizatoare cu reactie in comutatie.

Prezentul capitol se va ocupa numai de studiul primei categorii de stabilizatoare. Structura subcapitolului este:

Configuratii standard

Exemplu de stabilizator de tensiune

3.1 Configuratii standard

Se vor prezenta urmatoarele configuratii:

I. Configuratie standard de stabilizator;

II. Configuratie standard de stabilizator cu limitare la o valoare fixa a curentului de iesire;

III. Configuratie standard de stabilizator cu limitare prin intoarcere a curentului de iesire.

I.) Configuratie standard de stabilizator

a.) schema de principiu este prezentata in figura 15

b.) rolul elementelor

R₁, R₂    retea de reactie; semnalul de intrare in retea este tensiunea de pe sarcina iar semnalul de iesire al retelei - semnalul care se aplica la intrarea inversoare a amplificatorului de eroare - este tot tensiune.

AE    amplificator de eroare; compara nivelul de tensiune generat de reteaua de reactie cu nivelul de tensiune al sursei de referinta si genereaza la iesire un semnal proportional cu diferenta dintre ele (amplifica semnalul de eroare).

TR     tranzistor regulator; are rolul unei rezistente variabile; valoarea rezistentei echivalente dintre emitor si colector se modifica, functie de comanda pe care o primeste de la amplificatorul de eroare, astfel incat tensiunea pe sarcina sa fie mentinuta constanta.

V_REF    sursa de referinta; asigura un nivel constant al tensiunii pe care o genereaza, nivel care trebuie sa fie independent de temperatura, tensiunea de la iesirea redresorului, etc.; este folosita in obtinerea semnalului de eroare

c.) analiza de semnal mare va prezenta functionarea circuitului. Figura 16 pune in evidenta reactia negativa care actioneaza ca element de control pentru asigurarea valorii constante atensiunii de iesire (v_o). Modul in care actioneaza reactia este prezentat in figura 17.

Se constata ca tendinta de crestere a tensiunii de iesire este blocata prin intermediul reactiei.

II.) Configuratie standard de stabilizator cu limitare la o valoare fixa a curentului de iesire

a.) schema este prezentata in figura 18a

b.) rolul elementelor; Comparand figura 18a cu 16 se observa ca singurele elemente noi sunt:

T_prot si r_prot elemente de circuit care asigura protectia circuitului.

c.) analiza de semnal mare se va rezuma la prezentarea functionarii protectiei.

Limitarea curentului debitat de stabilizator (necesara in multe cazuri ca protectie la scurtcircuit) se face prin intermediul celor doua componente suplimentare T_prot si r_prot. Functionarea este urmatoarea:

I.) In regim normal tranzistorul T_prot este blocat intrucat valoare caderii de tensiune pe rezistenta r_prot este mai mica decat tensiunea de prag a jonctiunii baza emitor a tranzistorului; stabilizatorul functioneaza ca sursa de tensiune.

II.) In regim de limitare tranzistorul T_prot se deschide intrucat valoarea caderii tensiunii de pe rezistenta r_prot devine mai mare decat tensiunea de prag a jonctiunii baza emitor; se deschide astfel o noua cale pentru curentul debitat de amplificatorul de eroare spre sarcina; valoarea curentului la care apare fenomenul de limitare se poate determina cu relatia:

(29)

unde V_g este tensiunea de prag uzual 0.6 V; circuitul inceteaza de a mai functiona ca sursa de tensiune.Figura 5 prezinta caracteristica care se obtine in aceasta situatie. Se poate constata ca prin alegerea convenabila a lui r_prot se poate determina valoarea curentului la care apare fenomenul de limitare.

III.) Configuratie standard de stabilizator cu limitare prin intoarcere a curentului de iesire

Tipul de limitare, pentru curentul de sarcina, analizat anterior poate prezenta in anume situatii dezavantajul ca mentine o disipatie puternica pe tranzistorul regulator in conditii de scurtcircuit. De altfel este usor de observat ca in aceste conditii curentul prin tranzistor este maxim (I_SCURCIRCUIT). iar caderea de tensiune dintre colector si emitor este de asemenea maxima (u_RED). O solutie pentru evitarea acestei situatii este utilizarea protectiilor cu intoarcere.

a.) schema este prezentata in figura 18 b

b.) rolul elementelor;

T_prot, r_prot, R₃, R₄ circuit de protectie.

c.) analiza de semnal mare se va axa pe analiza modului in care functioneaza protectia. Astfel prezinta interes calculul curentului I_COT, respectiv I_SCURTCIRCUIT. Observand ca potentialul emitorului tranzistorului regulator este:

(30)

se poate calcula imediat potentialul din baza tranzistorului de protectie (i_O are sensul din figura 19):

(31)

Cum potentialul din emitorul acestui tranzistor este tocmai v_O, caderea de tensiune intre baza si emitor va fi:

(32)

Relatia (32) permite determinarea curentilor limita mentionati dupa cum urmeaza:

calculul curentului I_COT ; se impune conditia:

v_BE=V_g T i_O=I_COT (33)

rezulta:

(34)

calculul curentului I_SCURTCIRCUIT ; in relatia (61) se impune conditia:

v_O=0 T i_O=I_SCURTCIRCUIT (35)

si se obtine:

(36)

3.2. Exemplu de stabilizator de tensiune

Se va prezenta un stabilizator care respecta configuratia standard din figura 15.

a.) schema este prezentata in figura 19

b.) rolul elementelor este usor identificabil din figura. Se poate constata ca sursa de referinta este in fapt un stabilizator parametric (Dz si R₃) iar amplificatorul de eroare este in principiu un etaj cu sarcina distribuita. (rezistenta dinamica r_z a diodei Zener reprezinta sarcina din emitor, iar R₄ si T₂ sarcina din colector).

c.) analiza de semnal mare; Functionarea devine simplu de explicat:

Variatiile tensiunii de iesire sunt preluate de reteaua de reactie si aplicate in baza lui T₁. Pe de alta parte emitorul lui T₁ se gaseste la un potential aproximativ constant si egal cu V_Z. Din acest motiv tranzistorul T₁ 'simte' variatiile de pe baza ca variatii ale tensiunii u_BE si deci le amplifica puternic, defazandu-le in acelasi timp cu 180⁰. In continuare acest semnal de eroare amplificat este aplicat in baza lui T₂. Acesta lucreaza - dupa cum se poate observa - in conexiunea colector comun. Ca atare semnalul este amplificat in curent (dar nu mai este defazat) si aplicat sarcinii. In concluzie prin parcurgerea buclei de reactie se obtine un semnal care compenseaza (defazajul cu 180⁰) variatiile tensiunii de pe sarcina, mentinand-o constanta. Simplificat acest lucru se noteaza:

d.) imbunatatiri. Se va analiza modul in care pot fi imbunatatiti parametrii stabilizatorului. Astfel prezinta interes:

marirea coeficientului de stabilizare;

micsorarea rezistentei de iesire;

micsorarea coeficientului de temperatura;

marirea puterii de iesire.

e₁) marirea coeficientului de stabilizare.

Exista mai multe solutii posibile. Acestea, in principiu, prevad introducerea unor filtre cu scopul de a limita posibilitatea de a ajunge a ondulatiilor tensiunii redresate la iesire. Dupa cum a fost amintit exista trei cai si anume prin:

alimentarea sursei de referinta;

alimentarea amplificatorului de eroare;

alimentarea regulatorului serie.

Solutiile in discutie, aplicabile numai in primele doua cazuri, prevad alimentari separate pentru fiecare dintre aceste blocuri componente. Se poate demonstra ca exista si o alta posibilitate de marire a coeficientului de stabilizare si anume marirea amplificarii amplificatorului de eroare. Aceasta din urma solutie duce in final si la micsorarea rezistentei de iesire. Din acest motiv acest tip de solutie va fi prezentat cand se vor prezenta modalitatile de imbunatatire a a rezistentei de iesire. Se va prezenta numai prima metoda. Astfel figura 22 prezinta o modalitate de alimentare a sursei de referinta de la o tensiune filtrata.

Se poate observa ca stabilizatorul parametric R₃ Dz se alimenteaza din tensiunea stabilizata. In acest fel in emitorul lui T₁ amplitudinea ondulatiilor este mult micsorata si deci si la iesire. Evident se pot imagina si alte solutii, solutii ce pot ajunge pana la introducerea unui stabilizator auxiliar.

e₂) micsorarea rezistentei de iesire.

Modalitatile prin care se poate interveni asupra rezistentei sunt:

marirea amplificarii amplificatorului de eroare; aici exista doua cai:

a.       marirea rezistentei de sarcina a amplificatorului de eroare;

b. alegerea unor topologii performante;

micsorarea rezistentei de iesire a amplificatorului de eroare;

marirea amplificarii in curent a regulatorului serie.

Exista extrem de multe solutii topologice care satisfac criteriile de mai sus. Aceste solutii nu fac obiectul prezentului curs.

e₃) micsorarea coeficientului de temperatura . Coeficientul de temperatura al stabilizatorului este practic determinat de coeficientul sursei de referinta precum si de coeficientul de temperatura al circuitelor de la intrarea in amplificatorul de eroare. O solutie este constituita de utilizarea asa numitelor amplificatoarelor de referinta, Acestea sunt formate din tranzistorul T₁ si dioda Dz realizate tehnologic pe acelasi chip. O alta solutie consta in utilizarea amplificatoarelor diferentiale ca amplificatoare de eroare. si pentru aceasta situatie se recomanda ca cele doua tranzistoare sa fie realizate pe acelasi chip.

e₄.) marirea puterii de iesire

Puterea de iesire este dictata in mod exclusiv de performantele regulatorului serie. Acesta poate utiliza:

un tranzistor

mai multe tranzistoare conectate in serie

mai multe tranzistoare conectate in paralel

Exista si situatia de conectare a tranzistoarelor in paralel cu rezistenta de balast. Acest tip de conexiune se utilizeaza in electronica de putere. Nu v-a fi prezentat In continuare se vor prezenta succint solutiile enumerate.

un tranzistor

Solutia a fost prezentata in toate schemele analizate. Se recomanda pentru tensiuni si curenti nu prea mari.

mai multe tranzistoare conectate in serie

Se utilizeaza pentru tensiuni mari. Figura 22 arata o asemenea configuratie.

Rezistoarele au rolul de a distribui in mod egal tensiunea pe tranzistoare - in regim permanent. In absenta lor, tensiunea s-ar distribui inegal intrucat curentii reziduali ai tranzistoarelor nu sunt rigurosi egali. Condensatoarele au rolul de a distribui in mod egal tensiunea pe tranzistoare -in regim tranzitoriu. Diodele previn strapungerea jonctiunilor baza emitor

mai multe tranzistoare conectate in paralel

Se utilizeaza pentru curenti mari. Tranzistoarele se conecteaza ca in figura 23

Rezistoarele au rolul de a echilibra curentii prin tranzistoare. Jonctiunile baza emitor nu pot fi legate direct in paralel datorita dispersiei de parametrii ce le caracterizeaza.