STABILIZATOARE DE TENSIUNE
Stabilizatoarelel de tensiune sunt circuite electronice, de tip cuadropol, care se conecteaza intre sursa de alimentare de curent continuu (obtinuta dupa redresare si filtrare) si consumator, avand rolul de a mentine constanta tensiunea la bornele consumatorului in raport cu variatiile tensiunii sursei, ale rezistentei de sarcina, ale temperaturii ambiante sau ale altor factori perturbatori.
In figura 11.11.a se rezinta schema stabilizatorului sub forma unui cuadropol, iar in figura 11.11.b si 11.11.c se prezinta cele 2 tehnici principale de realizare a unui stabilizator de tensiune: cu element de reglare tip serie (E.S.), respectiv cu element de reglare de tip paralel (E.P.).
Fig.11.11. Schema bloc a stabilizatorului de tensiune
a) cuadropol, b) cu element de reglare de tip serie c) cu element de reglare de tip paralel
Pentru aprecierea performantelor unui stabilizator se definesc urmatoarele marimi caracterisitice:
- coeficientul de stabilizare So (fata de tensiunea de alimentare) prin relatia
, la Io si T constante;
- coeficientul de temperatura ST
, la Ui si Io constante
- rezistenta de iesire (interna) Ro, prin relatia
, la Ui si T constante
- eficienta (randamentul) stabilizatorului ηi, prin relatia
Stabilizatoarelel cu element serie au performante mai bune decat cele cu element de reglaj paralel; cu toate acestea, stabilizatoarele de tip paralel se utilizeaz ain unele aplicatii datorita simplitatii schemei (vezi stabilizatoarele cu diode Zener) si a faptului ca nu necesita circuite speciale de protectie la suprasarcina sau scurtcircuit la iesire.
STABILIZATOARELE DE TENSIUNE CU COMPONENTE DISCRETE
Stabilizatoarele de tensiune cu componente discrete sunt folosite datorita unor cerinte practice, cum ar fi: simplitatea schemei de stabilizare, gama larga de variatie a tensiunii stabilizate, etc. Aceste stabilizatoare sunt de urmatoarele tipuri: stabilizatoare parametrice, stabilizatoare cu reactie si stabilizatoare in regim de comutatie.
Stabilizatoare de tensiune parametrice
Stabilizarea parametrica a tensiunii se bazeaza pe proprietatea diodelor Zener de a mentine intr-un domeniu dat (domeniu de stabilizare) tensiunea constanta la bornele lor. Performantele acestor stabilizatoare sunt stric determinate de caracteristica tensiune-curent (figura 11.12.a) a diodelor Zener folosite.
Fig.11.12. Stabilizator parametric cu dioda Zener:
a) caracterisitica tensiune-curent a diodei Zener b) schema electrica
Diodele Zener sunt caracterizate prin urmatoarele marimi electrice: tensiune nominala UZN si curentul nominal IZN; tensiunea minima UZm si curentul minim IZm; tensiunea maxima UZM si curentul maxim IZM; puterea maxima disipata PZM. Semnificatia acestor marimi poate fi urmarita in figura 11.12.a. Se fabrica diode Zener pentru tensiuni nominale intre limitele 3..200V, curenti nominali intre limitele 5mA..1A si puteri in gama 0,25..50W.
In schemele simple de stabilizare, diodele Zener (DZ) se conecteaza in paralel cu rezistenta de sarcina RL, asa cum se indica in figura 11.21.b. Acest stabilizator este de tipul "cu element de reglaj paralel".
Coeficientul de stabilizare (fata de tensiunea de alimentare) se calculeaza cu relatia
(11.36)
unde R1 este rezistenta de balast, iar
(11.37)
este rezistenta dinamica a diodei Zener in zona sa activa.
Rezistenta de iesire (interna) a stabilizatorului este aproximativ egala cu rezistenta dinamica a diodei Zener:
(11.38)
Un stabilizator cu dioda Zener are deci performante cu atat mai bune, cu cat rezistenta dinamica a acesteia este mai mica si cu cat rezistenta de balast R1 este mai mare. Dar cresterea rezistentei de balast R1 atrage dupa sine cresterea tensiunii de alimentare a stabilizatorului si totodata micsorarea randamentului acestuia.
Pentru proiectarea stabilizatorului cu dioda Zener se porneste de la marimile electrice cerute de sarcina, Uo si Io, si de la limitele UIm ..UIM si Iom ..IoM de variatie ale tesniunii stabilizate, respectiv ale curentului de sarcina. Tinand cont de aceste date, se determina rezistenta de balast R1, iar apoi se alege dioda Zener.
Rezistenta de balast se determina cu relatia
(11.39)
unde U0 este tensiunea la bornele sarcinii, egala cu tensiunea nominala a diodei Zener UZN, iar IZm este curentul minim de la care dioda Zener asigura stabilizarea tensiunii (cuprins, de obicei, intre 1mA si 5mA).
Se determina apoi puterea maxima disipata pe dioda:
(11.40)
Dioda Zener aleasa trebuie sa fie capabila sa disipe aceasta putere la temperatura maxima a mediului in care functioneaza.
Se determina apoi valorile maxime si minime ale curentului prin dioda Zener:
(11.41)
(11.42)
in care UZM, UZn, IZN si IZm sunt date de catalog ale diodei Zener, indicate in figura 11.12.b.
Exemplu
Sa se proiecteze un stabilizator de tensiune pentru un receptor care consuma un curent Io cuprins intre 5mA si 50mA, la o tensiune Uo = 7,5V, stiind ca variatiile tensiunii retelei (transmise la intrarea stabilizatorului) sunt de +10% si -15% din tensiunea nominala. Prin urmare: Iom = 5mA, IoM = 50mA, Uo = 7,5V, UIm = 0,85UI, UIM = 1,1UI. Se admite ca IZm = 5mA.
Se alege valoarea nominala a tensiunii de intrare:
UI = (1,5..2,5) x U0 = 15V.
Se determina rezistenta de balast:
R1 = (0,85 x 15 - 7,5) / (0,05 + 0,005) = 95,5Ω
Se alege R1 = 100Ω.
Se determina puterea maxima disipata pe dioda:
PZM = 7,5 x ((1,1 x 15 - 7,5) / 100 - 0,005) = 0,63W
Din catalog, se alege dida Zener de 1W, de tipul PL7V5Z, cu parametrii:
UZm = 7V, UZM = 7,9V, IZM = 130mA, rZ = 7Ω.
Se verifica:
IZmax = (1,1 x 15 - 7,9) / 100 - 0,005 = 0,081 < 0,13A = IZM
si
IZmin = (0,85 x 15 - 7) / 100 - 0,05 = 0,0075 > 0,005A = IZm.
In figura 11.13 se prezinta cateva variante de stabilizatoare de tensiune cu diode Zener, variante care urmaresc imbunatatirea performantelor stabilizatorului.
Fig.11.13. Variante de stabilizatoare de tensiune cu dioda Zener
a) cu conectare in cascada b) cu compensare termica c) cu montaj in punte
d) cu generator de curent constant e) cu conectare serie f) cu reglajul lui Uo
Montajul din figura 11.13.a utilizeaza conectarea in cascada a doua stabilizatoare de tipul celui descris anterior. Prin aceasta se imbunatateste factorul de stabilizare global, care devine egal cu produsul factorilor de stabilizare sl fiecarui etaj on parte. Este evident ca in aceasta configuratie UZ2 > UZ1 si I1 > I2 > I0. Dezavantajul principal al stabilizatorului parametric cu mai multe etaje consta in randamentul sau foarte mic, deoarece sunt necesare tensiuni de intrare mari in raport cu tensiunea stabilizata.
Compensarea termica a diodei Zener se poate realiza prin plasarea in serie cu aceasta a uneia sau mai multor diode cu siliciu polarizate direct (figura 11.13.b). Diodele Zener cu tensiuni peste 5V au coeficientul de temperatura pozitiv, pe cand diodele cu siliciu au coeficient de temperatura negativ (cca. -2mV/0C), ca urmare, este posibila compensarea termica a acestora, la variatia temperaturii mediului. Inconvenientul metodei consta in faptul ca, odata cu cresterea tensiunii Zener, creste si numarul de diode de compensare necesare.
O imbunatatire a stabilizarii in raport cu tensiunea de intrare se poate obtine cu montajul din figura 11.13.c. El este utilizat in situatiile in care rezistenta dinamica rz a diodei Zener este relativ mare (diodele Zener cu tensiuni nominale de 100..200V au rezistente dinamice de ordinul sutelor de ohmi, pan ala ordinul kiloohmilor). Cu ajutorul rezistentei R3 se echilibreaza efectul rezistentei rz. Echilibrarea se obtine corect numai l ao singura valoare a curentului, care se alege la mijlocul domeniului de lucru prevazut.
In figura 11.13.d se prezinta un stabilizator, la care rezistenta de balast R1 se inlocuieste printr-un montaj de tip generator de curent constant, format din grupul R1, R2, DZ1 si tranzistorul T. El mentine curentul de colector constant in raport cu variatiile tensiunii de intrare U1. Grupul R1-DZ1 functioneaza ca un stabilizator parametric obisnuit, tensiounea la bornele diodei DZ1 fiind practic constanta. Aceasta tensiune practic constanta se regaseste si la bornele rezistentei R1, deci curentul de emitor al tranzistorului (si cel de colector) nu se modifica semnificativ, ca urmare, punctul de functionare pe caracteristica diodei DZ2 nu se modifica la variatiile tensiunii de intrare intre limitele UIm si UIM. Acest montaj, pe langa faptul ca are coeficient de stabilizare foarte mare, are is randament ridicat.
Prin conectarea in serie a mai multor diode Zener (care potr admite acelasi curent) se poate extinde limita tensiunii stabilizate (figura 11.13.e). In acest montaj, daca unele diode au coeficientul de temperatura pozitiv, iar altele negativ, este posibila o compensare globala a stabilizatorului.
Montajul din figura 11.13.f permite obtinerea unei tensiuni stabilizate U0 de valoare reglabila, prin intermediul potentiometrului R. In acest montaj rezistenta de iesire a stabilizatorului este cu atat mai mare cu cat tensiunea de sarcina obtinuta potentiometric ( U0) este mai mica.
Utilizarea tranzistoarelor in schemele de stabilizare parametrica permite extinderea curentilor de sarcina pana la ordinul amperilor sau zecilor de amperi. Tranzistorul are rolul de a a mplifica curentul de iesire al stabilizatorului. In functie de modul de cum este conectat tranzistorul, exista configuratii de tip serie, serie-paralel sau paralel. Configuratia serie are o eficienta mai buna decat configuratia paralel, insa necesita circuite suplimentare de protectie a elementului serie impotriva suprasarcinii sau a scurtcircuitului la iesire.
In figura 11.14 se prezinta configuratia standard a unui stabilizator parametric cu tranzistor serie. Tranzistorul poate fi de tip npn (figura 11.14.a) sau pnp (figura 11.14.b).
Grupul format de dioda DZ si rezistenta R1 functioneaza ca stabilizator parametric simplu. Tranzistorul T este repetor pe emitor, asigurand in sarcina curentul:
(11.43)
(11.44)
.
.
Fig.11.58. Sursa de tensiune stabilizata reglabila
O imbunatatire a stabilizarii in raport cu tensiunea de intrare se poate obtine cu montajul din figura 11.13.c. El este utilizat in situatiile in care rezistenta dinamica rz a diodei Zener este relativ mare (diodele Zener cu tensiuni nominale de 100..200V au rezistente dinamice de ordinul sutelor de ohmi, pan ala ordinul kiloohmilor). Cu ajutorul rezistentei R3 se echilibreaza efectul rezistentei rz. Echilibrarea se obtine corect numai l ao singura valoare a curentului, care se alege la mijlocul domeniului de lucru prevazut.
In figura 11.13.d se prezinta un stabilizator, la care rezistenta de balast R1 se inlocuieste printr-un montaj de tip generator de curent constant, format din grupul R1, R2, DZ1 si tranzistorul T. El mentine curentul de colector constant in raport cu variatiile tensiunii de intrare U1. Grupul R1-DZ1 functioneaza ca un stabilizator parametric obisnuit, tensiounea la bornele diodei DZ1 fiind practic constanta. Aceasta tensiune practic constanta se regaseste si la bornele rezistentei R1, deci curentul de emitor al tranzistorului (si cel de colector) nu se modifica semnificativ, ca urmare, punctul de functionare pe caracteristica diodei DZ2 nu se modifica la variatiile tensiunii de intrare intre limitele UIm si UIM. Acest montaj, pe langa faptul ca are coeficient de stabilizare foarte mare, are is randament ridicat.
Prin conectarea in serie a mai multor diode Zener (care potr admite acelasi curent) se poate extinde limita tensiunii stabilizate (figura 11.13.e). In acest montaj, daca unele diode au coeficientul de temperatura pozitiv, iar altele negativ, este posibila o compensare globala a stabilizatorului.
Montajul din figura 11.13.f permite obtinerea unei tensiuni stabilizate U0 de valoare reglabila, prin intermediul potentiometrului R. In acest montaj rezistenta de iesire a stabilizatorului este cu atat mai mare cu cat tensiunea de sarcina obtinuta potentiometric ( U0) este mai mica.
Utilizarea tranzistoarelor in schemele de stabilizare parametrica permite extinderea curentilor de sarcina pana la ordinul amperilor sau zecilor de amperi. Tranzistorul are rolul de a a mplifica curentul de iesire al stabilizatorului. In functie de modul de cum este conectat tranzistorul, exista configuratii de tip serie, serie-paralel sau paralel. Configuratia serie are o eficienta mai buna decat configuratia paralel, insa necesita circuite suplimentare de protectie a elementului serie impotriva suprasarcinii sau a scurtcircuitului la iesire.
In figura 11.14 se prezinta configuratia standard a unui stabilizator parametric cu tranzistor serie. Tranzistorul poate fi de tip npn (figura 11.14.a) sau pnp (figura 11.14.b).
Fig.11.14. Stabilixzator de tensiune cu tranzistor serie:
a) cu tranzistor npn b) cu tranzistor pnp
(11.43)
si tensiunea constanta
(11.44)
Fata de un stabilizator simplu o dioda Zener, schema cu tranzistor din figura 11.14 prezinta avantajul ca poate furniza un curent de β ori mai mare decat cel furnizat de dioda Zener, practic la aceeasi tensiune stabilizata, deci se poate utiliza tensiunea la bornele unei sarcini avand puterea de β ori mai mare. Utilizarea repetorului asigura totodata micsorarea rezistentei de iesire de β ori , adica
.
Factorul de stabilizare este egal cu cel dat de grupul DZ-R1 adica
.
Exemplu
Sa se proiecteze un stabilizator cu tranzistor serie (figura 11.14.a) pentru alimentarea unei sarcini care consuma un curent Io, care variaza intre limitele 50..250mA, la o tensiune Uo de 9V, cunoscand ca tensiunea de intrare este UI =15+3V (variatii de +20% din tensiunea nominala). Pentru polarizarea corespunzatoare a tranzistorului serie se impune tensiunea UCEmin>2..3V.
Proiectarea consta in alegerea tranzistorului T, dimensionarea grupului stabilizator R1-DZ, dupa metodica expusa mai inainte si verificarea parametrilor stabilizatorului.
Se verifica tensiunea minima la bornele tranzistorului:
UCEmin= UIm - U0 = 12 - 9 = 3V > 2V.
Pdmax = UCEmax x IoM = 9 x 0,25 = 2,25W.
Se alege tranzistorul BD135 cu caracteristicile
ICM = 1A, UCEo= 45V, PdM = 6,5W, β = 40..140.
Curentul de baza maxim al tranzistorului
Tensiunea diodei Zener
UZ = U0 + UBE = 9 + 0,6 = 9,6V
Se alege o dioda Zener cu urmatorii parametrii:
UZN = 10V, UZm = 9,4V, IZm = 2mA, IZM = 32mA, PZM =0,4W, rZ = 15Ω
Cu relatia (11.36) se determina valoarea rezistentei R1:
Se verifica dioda Zener, cu relatiile (11.40)..(11.42):
Parametrii stabilizatorului proiectat sunt:
In figura 11.15 se prezinta schema amplificatorului stabilizat proiectat mai sus, unde tensiunea alternativa este furnizata de transformatorul cu priza mediana, avand in secundar 2x12V (valoare efectiva). Aceasta tensiune este redresata de diodele 1N4001 si filtrata de grupul R1-C1 si R2-C2. La bornele condensatorului C2 se obtine o tensiune continua de valoare UI = 15+3V (variatiile de +3V provin de la variatiile tensiunii retelei), care reprezinta tensiunea de intrare a stabilizatorului. La iesirea stabilizatorului se afla o rezistenta R4 de "presarcina" care asigura un curent de pornire pentru tranzistor, in situatia in care alimentatorul functioneaza in gol.
Fig.11.15. Exemplu de alimentator stabilizat cu tranzistor serie
O schema de stabilizator care poate poate realiza la iesire o tensiune stabilizata reglabila este prezentata in figura 11.16. Tensiunea la iesirea stabilizatorului este
Performantele schemei de baza (figura 11.14) se pot imbunatati atat in sensul micsorarii rezistentei interne, cat si in sensul maririi factorului de stabilizare al stabilizatorului.
Fig.11.16. Stabilizator de tensiune cu iesire reglabila
Pentru micsorarea rezistentei interne si cresterea curentului de sarcina a stabilizatorului, se utilizeaza fie conectarea in paralel a mai multor tranzistoare (figura 11.17.a), fie conectarea tranzistoarelor in montaj Darlington (figura 11.17.b, c). Tranzistoarele T1 si T2 la conexiunea lor in paralel trebuie selectate in functie de marimea factorului lor de amplificare β si trebuie protejate prin rezistentele RE de egalizare a curentilor. Factorul de amplificare a gruparii in paralel este de 2β. Pentru montajul Darlington (cu tranzistoare npn - figura 11.17.b - sau cu tranzistoare pnp - figura 11.17.c) factorul de amplificare este egal cu produsul factorilor de amplificare in curent al celor doua tranzistoare β = β1β2.
Fig.11.17. Tranzistoare compuse:
a) in paralel, b) montaj Darlington cu tranzistoare npn c) montaj Darlington cu tranzistoare pnp
Cresterea coeficientului de stabilizare se poate realiza utilizand montajul din figura 11.13.d , in care punctul de functionare al diodei Zener se stabilizeaza printr-un generator de curent constant.
In figura 11.18 se prezinta o schema de sursa de tensiune stabilizata reglabila, cu performante buna, realizata pe baza observatiilor de mai sus. Tensiunea alternativa de 18V obtinuta prin intermediul transformatorului de retea este redresata de puntea redresoare 3PM05 si filtrul de grupul R1-C1, R2-C2. La bornele condensatorului C2 se obtine tensiunea de intrare in stabilizator UI = 20+3V.
Grupul format din componentele R3, R4, DZ3 si T3 constituie un generator de curent constant pentru diodele DZ1 si DZ2, conectate in serie. Aceste diode sunt de tipul PL6V8, avand UZN = 6,8V, rezultand o tensiune stabilizata reglabila (prin potentiometrul R) pana la valoarea
Montajul Darlington format din tranzistoarele T1 si T2 poate debita un curent de sarcina de pana la 3A. Rezistenta de presarcina R6 are valoarea de 120Ω.
Configuratia paralel a stabilizatorului parametric cu tranzistor este prezentata in figura 11.19. Se poate observa ca valoarea tensiunii stabilizate este
(11.45)
Fig.11.19. Stabilizator parametric de tip paralel:
a) cu tranzistor npn b) cu tranzistor pnp
Circuitul prezinta avantajul unei bune stabilizari datorate tranzistorului T. Daca tensiunea la bornele sarcinii tinde sa creasca, de exemplu, creste si tensiunea UBE, care comanda marirea curentului de colector, deci marirea caderii de tensiune pe rezistenta R1, si, deci, revenirea tensiunii de sarcina la valoarea sa initiala. Prin urmare, variatiile de tensiune datorate tensiunii de intrare sau modificarii sarcinii sunt compensate de variatiile curentului in rezistenta R1. Fata de stabilizatorul parametric simplu cu dioda Zener, stabilizatorul paralel asigura un curent de iesire si o putere stabilizata mult mai mare (de β ori).
Se pot obtine tensiuni stabilizate reglabile, cu schemele din figura 11.20. In schema din figura 11.20.a Uo < Uz, iar in cea din figura 11.20.b, Uo > Uz. Rezulta tensiunile reglabile potentiometric:
(11.46)
respectiv
(11.47)
Fig.11.20. Schema unui stabilizator reglabil de tip paralel cu tranzistor
Exemplu
Sa se proiecteze un stabilizator de tensiune cu tranzistor in configuratie paralel (figura 11.19.a) avand tensiunea stabilizata +9V, limitele de variatie ale curentului de sarcina Iom = 20mA si IoM = 200mA si ale tensiunii de alimentare UIm = 14V si UIM = 18V.
Alegerea diode Zener:
UZ = U0 - UBE = 9 - 0,6 = 8,4V.
Se alege dioda Zener de mica putere DZ8V2 avand
UZN = 8,2V la IZN = 5mA.
Calculam rezistenta de balast:
Se alege valoarea standardizata R1 = 22Ω. Curentul minim de colector se considera de cca 0,1 x IoM.
Alegerea tranzistorului:
- puterea disipata pe R1 este
- puterea disipata pe tranzistor:
Se lege tranzisotrul BD135 cu caracteristicile
ICM = 1A, UCEo= 45V, PdM = 6,5W, β = 40..140.
Rezistenta de polarizare a diodei Zener:
se alege standardizata R2 = 910Ω.
Cu aceste valori, schema este cea din fugura 11.19.a.
Pentru curenti de sarcina care depasesc 500mA se recomanda utilizarea tranzistoarelor compuse, in montaj Darlington, asa cum se indica in figura 11.21, pentru stabilizatorul de 9V/0,5A.
Fig.11.21. Stabilizator de tensiune pentur curenti mari
Imbinarea calitatilor functionale ale stabilizatoarelor serie si ale celor paralel conduce la realizarea unor montaje combinate de tip serie-paralel (figura 11.22). Elementul de reglaj serie este constituit din tranzistoarele T1 si T2 (conexiune Darlington), iar elementul paralel este tranzistorul T3. Diodele D1, D2 si D3, compenseaza dioda Zener si variatia tensiunilor UBE cu temperatura.
Fig.11.22. Stabilizator de tensiune de tip serie-paralel
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu