Stabilizatoare de tensiune cu componente discrete (Stabilizatoare de tensiune cu reactie)

   Continui prezentarea unor materiale despre stabilizatoarele de tensiune din cartea "Amplificatoare audio si sisteme muzicale" fiind foarte utile pasionatilor si, mai ales, incepatorilor.. deoarece contin pe langa teorie si calcule pentru scheme de realizat practic....

Stabilizatoare de tensiune cu reactie

   Stabilizatoarele cu reactie (figura 11.23) sunt sisteme de reglaj automat care mentin marimea de iesire Uo la o valoare constanta, comandata de marimea de referinta U_REF. Marimea Uo, sau o partea a acesteai (kUo) este comparata in permanenta cu marimea de referinta U_REF, iar diferenta kUo - U_REF = ε (eroare), dupa  o amplificare corespunzatoare, comanda un element regulator care modifica pe Uo, pana la anularea erorii.

Fig.11.23. Schema bloc a unui stabilizator cu reactie

   Prin marirea complexitatii sistemului de reglare, eroarea poate fi redusa considerabil, rezultand un stabilizator cu performante deosebit de bune. In functie de modul de conectare a elementului in raport cu sarcina, stabilizatoarele cu reactie sunt de tipul serie sau de tipul paralel.

   Stabilizatoarele serie au un consum mic in gol, au randament ridicat si asigura o stabilizare mai buna decat cele in paralel, in schimb, necesita circuite de protectie speciale la suporasarcina sau la scurtcircuitea bornelor de iesire.

   In figura 11.24.a se prezinta cea mai simpla schema de stabilizator cu reactie cu element de reglaj serie, iar figurile 11.24.b si 11.24.c sunt date variante imbunatatite ale aceleiasi scheme.

Fig.11.24. Stabilizatoare cu reactie cu element de reglaj serie:

a)   configuratie fundamentala   b) si c) variante imbunatatite

   Tranzistorul T2, avand rol de compensator si amplificator de eroare, amplififca diferenta intre tensiunile 

,

luata potentiometric si tensiunea de referinta U_REF, data de dioda Zener. Se poate scrie relatia 

din care rezulta valoarea tensiunii stabilizate

    (11.48)

   Orice tendinta de crestere a tensiunii stabilizate Uo se traduce prin cresterea tensiunii de eroare ε aplicata pe baza tranzistorului T2. Aceasta comanda cresterea curentului sau de colector, deci scaderea curentului de baza al tranzistorului T1. Scaderea curentului I_B1 are ca efect cresterea rezistentei echivalente intre emitorul si colectyorul tranzistorului T1, deci readucerea tensiunii Uo l ao valoare mai mica, adica se produce stabilizarea tensiunii Uo.

   Pentru proiectarea stabilizatorului din figura 11.24 se parcurg urmatoarele etape: alegerea tranzistorului regulator T1, calculul rezistentei de baza R_B, alegerea tranzistorului de comanda T2, alegerea diodei Zener, calculul valorilor rezistentelor divizorului de iesire R1, R, R2.

   Exemplu

   Sa se proiecteze un stabilizator serie cu reactie, care sa furnizeze la iesire o tensiune stabilizata Uo = 15V, la un curent de 1A, tensiunea de intrare variind intre limitele U_Im = 20V si U_IM = 30V.

   Se parcurg urmatoarele etape:

   a) alegerea tranzistorului regulator serie T1

   Se verifica tensiunea minima colector-emitor:

   Puterea disipata maxima este

   Se va alege un tranzistor capabil sa disipe aceasta putere la un curent de 1A, avand U_CEmax= 30V (pentru a nu se distruge la U_IM = 30V, in ipoteza unui scurtcircuit de scurta durata la iesire). Se alege tranzistorul 2N3055.

   b) Calculul rezistentei de baza R_B:

   Tranzistorul 2N3055 are un factor de amplificare minim β = 20, deci curentul sau de baza maxim este 

Rezistenta de baza R_B are valoarea R_B = 110

Se alege din catalog rezistenta R_B = 110Ω/0,5W.

   c) Alegerea tranzistorului de comanda T2

   Se alege tranzistorul 2N2222 capabil sa furnizeze un curent de colector mai mare de 50mA (pentru comanda tranzistorului T1).

   d) Alegerea diodei Zener

   Se alege o dioda cu tensiunea de stabilizare mai mica decat 

unde k < 1, asa cum rezulta din relatia (11.48) si un curent de colector mai mare sau egal cu celal tranzistorului T2 (50mA). Se alege tipul PL9v1, care are U_Z = 9,1V si I_Z = 50mA.

   e) Calculul valorilor rezistentelor divizorului R1, R si R2

   Divizorul de tensiune trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

- Sa realizeze un factor de divizare kUo dat de relatia (11.48), adica

de aici, 

Se admite un factor de divizare reglabil in limitele +10%, adica se obtin relatiile

- Curentul care trece prin divizor sa fie mai mic decat curentul de sarcinaIo, dar mult mai mare ca I_B2, pentru a nu modiifca factorul de divizare k. Aceste cerinte se scriu sub forma:

Daca tranzistorul T2 are un curent de colector de 50mA, cu β = 20,curentul sau de baza va fi I_B2 = 1mA. Relatiile de mai sus sunt verificate pentru 

Introducand aceasta valoare in expresiile factorului de divizare minim si maxim, se obtin valorile de catalog ale rezistentelor:

    Schema stabilizatorului proiectat este data in figura 11.25.

Fig.11.25. Schema unui stabilizator serie cu reactie

   O imbunatatire a factorului de stabilizare este data in figura 11.24.a se poate realiza cu variantele prezentate in figurile 11.24.b si 11.24.c. In schema din figura 11.24.b este introdusa dioda Zener DZ2 in locul rezistentei R1, avand tensiunea Zener fixata de valoarea 

si curentul

.

   Tensiunea U_Z fiind fixata, rezulta ca amplificatorul de eroare T2 va sesiza variatiile ΔU₀ si nu variatiile 

ca in cazul din figura 11.24.a.

   In schema din figura 11.24.c potentialul de emitor al tranzistorului T2 este fixat de grupul R3, DZ de catre tensiunea stabilizata U₀ si nu de catre tensiunea nestabilizata U_I ca in cazul schemei din figura 11.24.a. La proiectarea acestei scheme trebuiesa se tina cont de faptul ca faptul ca rezistenta R3 si dioda Zener DZ se aleg astfel incat curentul de emitor al tranzistorului t2 sa fie maimic decat curentul prin rezistenta R3, pentru a nu afecta tensiunea de referinta U_Z a diodei Zener.

   In schemele prezentate in schema 11.24, tranzistorul T2 are atat rolul de a compara tensiunea de referinta kU₀ cu cea de referinta U_Z, cat si rolul de amplificator de eroare. In scopul maririi amplificarii, intre tranzistoarele T1 si T2 se pot intercala unul sau mai multe etaje de amplificare. Un exemplu in acest sens este prezentat in figura 11.26.

Fig.11.26. Stabilizator de tensiune cu amplificare marita pe bucla de reactie

   Stabilizatoarele in care etajul de intrare este constituit dintr-un etaj diferential de amplificare realizeaza performantele mai bine, decat cele cu amplificarea directa. In figura 11.27 este prezentata schema unui astfel de montaj. Elementul de reglaj de tip serie este compus din tranzistoarele T1 si T2 in montaj Darlington (amplificator de curent).

Fig.11.27. Stabilizator de tensiune cu amplificator diferential

   Etajul diferential amplificator de eroare este compus din tranzistoarele identice T2 si T4. Pe baza tranzistorului T3 se aplica tensiunea de referinta U_Z a diodei Zener, iar pe baza tranzistorului T4 se aplica tensiunea de reactie kU_O obtinuta potentiometric prin grupul R1, R, R2. Semnalul de eroare 

 este amplificat de etajul diferential si comanda baza tranzistorului T2. Tensiunea stabilizata are valoarea

   Cu doua tranzistoare identice in montaj diferential se realizeaza si o compensare buna a montajului cu temperatura, deoarece efectele termice asupra celor doua tranzistoare se anuleaza daca acestea se afla permanent la aceeasi temperatura. O compensare suplimentara fata de temperatura se poate realiza daca se utilizeaza  ca sursa de referinta diode Zener compensate (de exemplu de tipul ROZ82A,B fabricate (n.r - odata, in timpuri de mult apuse) de ICCE Bucuresti).

   Stabilizatorul de tip paralel cu reactie este mai putin raspandit decat stabilizatorul de tip serie. Se utilizeaza in cazul unor variatii mici ale tensiunii de alimentare sia variatiei bruste ale curentului de sarcina.

   In figura 11.28 este prezentata schema practica de stabilizator cu reactie in configuratie de tip paralel. Tranzistorul T3 compara tensiunea de referinta data de dioda Zener cu tensiunea de reactie kU_O (luata potentiometric), iar diferenta lor este amplificata de acest etaj. Curentul de colector al tranzistorului T3 comanda curentul de baza al tranzistorului T2, astfel incat tranzistorul compus T1-T2, prin rezistenta de balast R1 furnizeaza la iesire tensiunea stabilizata U_O a carei valoare poate fi fixata intre anumite limite prin intermediul potentiometrului R.

Fig.11.28. Schema unui stabilizator cu reactie, de tip paralel

   Stabilizatoarele de tensiune cu amplificatoare operationale au capatat o mare raspandire datorita performantelor care se pot obtine in schemele de stabilizare.

   In schemele de stabilizare cu AO (amplificatoare operationale) sunt utilizate atat ca stabilizatoare propriu-zise, cat si, mai ales, ca amplificatoare de eroare in circuitele de reactie pentru comanda elementelor de reglaj de tip serie sau de tip paralel.

   In figura 11.29 se prezinta schema unui stabilizator cu AO pentru curenti mici de sarcina (cca 10mA).

Fig.11.29. Stabilizator cu A), pentru curenti de sarcina mici

   Pe intrarea neinversoare a AO se aplica tensiunea U_Z stabilizata de dioda Zener. Amplificatorul neinversor are factorul de amplificare

constant, independent de tensiunea de alimentare astfel ca tensiunea de iesire este

            (11.49)

   Prin modificarea raportului  R₂/R₁ se pot obtine tensiuni stabilizate de diverse valori (mai mari decat tensiunea de referinta  U_Z). Curentul de sarcina este limitat la valoarea curentului maxim I_AM ob debitat de AO, conform relatiei

      (11.50)

   Utilizarea AO in configuratia stabilizatoarelor de tensiune este ilustrata in figura 11.30. In ambele scheme din aceasta figura, AO compara tensiunea de referinta  U_REF (sau o partea din aceasta,  kU_REF) cu tensiunea de iesire stabilizata  U_O (sau o parte din aceasta,  kU_O). Eroarea rezultata prin aceasta comparatie este amplificvata de catre AO si aplicata pe baza tranzistorului de reglaj serie T, care actioneaza in sensul readucerii tensiunii stabilizate U_O la valoarea impusa.

Fig.11.30. Stabilizatoare de tensiune cu AO:

a) pentru  U_O >  U_REF   b) pentru  U_O <  U_REF  

   Valoarea tensiunii stabilizate este data de relatia

        (11.51)

pentru schema din figura 11.30.a si

       (11.52)

pentru schema din figura 11.30.b.

   Cele doua scheme se utilizeaza fie pentru a obtine tensiuni stabilizate mai mari ca U_REF, fie pentru a obtine tensiuni stabilizate mai mica ca U_REF.

   Alimentarea AO se face la tensiunea de intrare U_I nestabilizata, deoarece amplificarea circuitului nu depinde de tensiunea de alimentare (daca se respecta anumite limite de catalog). Tensiunea de referinta se obtine de la bornele unei diode Zener alimentata printr-o rezistenta de polarizare fie de la tensiunea nestabilizata U_I, fie de la cea stabilizata U₀.

   In figura 11.31 se prezinta schema unui stabilizator de 12V si 400mA realizat cu AO integrat βA741 (n.r. - LM741, etc). Intrarea neinversoare a AO este mentinuta la potentilaul constant de 6,2V de catre dioda Zener PL6V2Z, polarizata prin rezistenta R3. La intrarea inversoare se aplica tensiunea kU₀ (k = 0,5), prin grupul de rezistoare R1, R2, R. Potentiometrul R permite reglajul fin al tensiunii stabilizate in limitele 12V + 20%. AO alimenteaza baza tranzistorului BD135, acesta fiind element de reglare de tip serie.

Fig.11.31. Schema unui stabilizator cu reactie cu AO

NOTA: n.r. = nota redactiei (comentariu la ce a fost scris in materialul original si trebuie comentat)