Protectia stabilizatoarelor de tensiune (2)

   In cartea "Practica electronistului amator", in capitolul "Surse de alimetare", scris de dl. Imre Szatmary, se descriu circuite de protectie pentru stabilizatoare de tensiune. Un articol similar este cel numit Protectia stabilizatoarelor de tensiune.

   Va prezint integrat textul deoarece este foarte important de stiut aceste lucruri cand lucrati cu surse de tensiune:

   Circuitele de protectie la supracurent se bazeaza pe principiul reducerii curentului de baza al tranzistorului serie, deci la "inchiderea" acestuia atunci cand curentul de sarcina depaseste o anumita valoare. Una din cele mai simple metode de protectie este prezentata in schema din figura 22.8.a. 

Fig.22.8. a) Circuit simplu de protectie la supracurent

b) Circuit de protectie la supracurent cu  reglaj si indicarea suprasarcinii cu LED

   Curentul de sarcina trece prin rezistenta de limitare R_L, producand o cadere de tensiune I_L x R_L. Aceasta tensiune este "sesizata" de tranzistorul de protectie Tzp, fiind de fapt chiar tensiunea baza-emitor a acestuia. Cand  I_L x R_L >  U_BE = 0,65V, tranzistorul Tzp incepe sa conduca si curentul de baza al tranzistorului serie scade, scazand si curentul de colector. Micsorarea curentului de iesire se limiteaza la o valoare  I_L = 0,65/R_L. Astfel, scaderea deosebita a rezistentei de sarcina sau aparitia unui scurtcircuit intre bornele de iesire va determina intrarea in conductie a tranzistorului Tzp si limitarea curentului debitat de stabilizator la valoarea  I_L. La scurtcircuit Rs = 0, puterea disipata de tranzistorul serie este P_dTz1 = I_L x Ui_M, deoarece  e acesta se aplica intreaga tensiune de intrare. La asemenea scheme, dimensionarea radiatorului si stabilirea puterii disipate se va face tinand cont de puterea care apare in cazul scurtcircuitului. Aceasta supradimensionare a tranzistorului serie este dezavantajul acestui tip de protectie. Pentru ajustarea valorii curentului la care lucreaza protectia (I_L) ar fi necesara modificarea rezistorului R_L. Acesta este insa un rezistor de putere, disipa P_RL = I_L² x R_L si este greu sa fie realizat reglabil. Se procedeaza la un artificiu, conectand in parale cu R_L. un potentiometru P (1kΩ, de pe cursorul caruia se culege U_BE pentru Tzp (figura 22.8.b). Pentru indicarea intrarii in functiune a protectiei in colectorul tranzistorului Tzp se cvonecteaza o dioda luminiscenta (LED), care se ca activa la trecerea curentului prin ea.

    Pentru imbinatatirea schemei de protectie la supracurent, in sensul reducerii puterii disipate a tranzistorului serie (in regim de protectie) se utilizeaza schema de protectie prin intoarcere a curentului, ca in figura 22.9.a (foldback).

Fig.22.9. a) Circuit de protectie prin intoarcerea curentului (foldback)

b) caracteristicile de iesire a stabilizatorului in cazul protectiei cu circuit simplu de protectie (1) si cu protectie prin intoarcerea curentului (2)

   Tensiunea U_BE a tranzistorului din circuitul de protectie Tzp este formata din: caderea de tensiune datorita curentului din sarcina: I_S x R_L si de tensiunea obtinuta pe divizorul rezistiv R1-R2:

   Cand curentul de sarcina este cel normal, rezistentele din divizorul R1, R2 si R_L sunt astfel alese incat U_BE < 0,65V si Tzp este blocat. Daca Is creste astfel ca U_BE = 0,65V, tranzistorul serie incepe sa se "inchida"  si tensiunea colector-emitor (care alimenteaza divizorul R1-R2) creste. Astfel, tensiunea U_B a divizorului creste si procesul de intrare in conductie a tranzistorului Tzp se accentueaza. Se ajunge in situatia in care contributia

pentru "deschiderea"tranzistorului Tzp, a tensiunii divizorului este mai mare decat cea provenita de la rezistenta de limitare. Sau, altfel spus, curentul de sarcina la care se produce aceeasi stare de conductie (acelasi I_C) a tranzistorului Tzp este mai mic, datorita contributiei tensiunii divizorului R1-R2. Functionarea schemei se bazeaza pe principiul reactiei pozitive, divizorul R1-R2 fiind grupul de reactie. Daca laiesire se produce scurtcircuit (Rs = 0, Us = 0), curentul de scurtcircuit Isc este 

.

adica mai mic decat la schema de protectie simpla (figura 22.9.b). In aceste conditii, puterea disipata de tranzistorul serie, cu iesirea in scurtcircuit este de 

ori mai mica. Dupa actionarea protectiei, chiar daca dispare scurtcircuitul, schema ramane "zavorata, adica Tzp in conductie. Pentru repunerea stabilizatorului in functiune trebuie deconectata, pentru scurt timp, tensiunea de intrare. Acesta este dezavantajul acestui tip de protectie.

   Pentru aparatura de laborator se utilizeaza  diferite scheme cu circuite tip releu, cu armare manuala sau automata.

   Protectia la supra tensiune se poate se poate face prin mai multe moduri. Metodele radicale de protectie se bazeaza pe decuplarea tensiunii d eintrare in momentul aparitiei supratensiunii, al carei prag de actionare este prestabilit. Schema electrica a unui circuit simplu de protectie la supratensiune cu tiristor este este data in figura 22.10. pragul de anclansare al protectiei este stabilit de tensiunea diodei Zener Dz. Daca Us creste peste valoarea Uz, dioda zener se deschide si prin P trece curentul. De pe cursor se culege impulsul de curent, care alimenteaza poarta tiristorului Th, care se deschide si produce in microsecunde un curent suficient de mare care sa produca topirea sigurantei fuzibile SF. Condensatorul C=10nF temporizeaza actionarea circuitului pentru impulsurile foarte scurte, accidentale. Pentru o protectie Us > 12V, se alege o dioda zener cu Uz = 11V. Curentul de varf al tisitorului este de 10..15 ori curentul fuzibilului If.

Fig.22.10. Circuit simplu de protectie la supratensiune cu tiristor

Protectia stabilizatoarelor de tensiune

    Desi acum se gasesc tot felul de integrate specializate liniare sau in comutatie, e bine de stiut cum putem functioneaza si cum putem adapta un sistem de protectie la o sursa de tensiune pentru atelier.
    In cartea "Amplificatoare audio si siteme muzicale" exista un capitol destinat stabilizatoarelor de tensiune cu componente discrete sau cu integrate specializate, regasindu-se si un subcapitol despre protectia stabilizatoarelor de tensiune.

   Voi prezenta integral articolul, fiind foarte utile toate informatiile prezentate.

   In timpul functionarii stabilizatoarelor de tensiune pot apare regimutri de scurtcircuite accidentale sau de sprasarcini, care in majoritatea cazurilor conduc la defectarea stabilizatorului. Din acest motiv se prevad protectii ale stabilizatorului, atat pentru regimul de scurtcircuit, cat si pentru cel de suprasarcina. Protectia la scurtcircuit trebuie sa actioneze foarte rapid pentru a evita distrugerea componentelor stabilizatorului. Protectia la surpasarcina acttioneaza mai lent (de obicei, prin intermediul unor circuite de temporizare). Aceste tipuri de protectie se pot realiza prin sigurante fuzibile normale, respectiv cu relee termice.
   In figura 11.32.a se prezinta o schema de protectie a stabilizatorului serie prin limitarea curentului de scurtcircuit. Circuitul de protectie este construit din tranzistorul T2 si rezistenta Rsc.

Fig.11.32. Protectia stabilizatoarelor:

a) schema protectiei cu limitarea Isc

b) caracteristica statica de iesire a stabilizatorului

    Atat timp cat curentul de sarcina Io nu depaseste valoarea curentului de scurtcircuit impus Isc, caderea de tensioune la bornele rezistentei Rsc este mai mica decat tensiunea de deschidere a jonctiunii baza-emitor a tranzistorului T2 si tranzistorul regulator T1 functioneaza normal, tensiunea de iesire Uo fiind constanta (stabilizata).

   In cazul in care curentul de sarcina creste pana la valoarea Isc, tensiunea la bornele rezistentei Rsc atinge valoarea critica

                (11.53)

la care tranzistorul T2 incepe sa conduca, preluand o parte din curentul de baza al tranzistorului T1 si impiedicand astfel amplificarea acestuia. In continuare, pentru rezistenta de sarcina R_L<Uo/Isc, curentul ramane constant si egal cu valoarea Isc. Se obtine astfel o caracteristica de protectie de forma rectangulara, ca in figura 11.32.b.

    Pentru proiectarea unui circuit de protectie de acest tip (cu limitarea automata a curentului de scurtcircuit) este suficienta determinarea rezistentei Rsc cu relatia

                                    (11.54)

    Spre exemplu, pentru protectia stabilizatorului din figura 11.31, care debiteaza un curent nominal de 0,4A, daca se impune curentul de scurcircuit Isc = 0,65A, rezulta Rsc = 1Ω. Tranzistorul din circuitul de protectie trebuie sa aiba un curent de colector mai mare decat curentul de baza al tranzistorului regulator T1, adica Ic₂>I_B1 = Ic₁/β. Daca tranzistorul T1 este de tipul BD135 (Ic₁=1A,  β₁ = 40), atunci tranzistorul T2 poate fi de tipul BC170  (Ic₁=0,1A, β₁ = 35).

   O schema practica de stabilizator culimitarea automata a curentului de scurtcircuit la valoarea Isc = 2A este data in figura 11.33. Circuitul de protectie este constituit din rezistenta Rsc = 0,33Ω si tranzistorul T3, pe care il comanda. Tranzistoarele T1 si T3 formeaza un amplificator de curent (montaj Darlington) pentru circuitul de sarcina. Rezistenta R1 (1kΩ) este o "rezistenta de pornire" prin intermediul careia se alimenteaza in momentul initial grupul R3, DZ, R4, R, R5 care comanda operationalul βA741 (n.r. LM741).

Fig.11.33. Schema practica se stabilizator cu limitarea curentului de scurtcircuit

   Un alt mod de protectie al tranzistoarelor este denumit "protectie prin intoarcerea caracteristicii". Aceasta protectie "prin intoarcere" forteaza reducerea curentului de scurtcircuit Isc la o valoare mai mica decat curentul Io_M care declanseaza procesul de protectie. Schema electrica a unui astfel de stabilizator cu limitare prinintoarcere este data in figura 11.34.a.

Fig.11.34. Protectia prin intoarcerea caracteristicii:

a) schema electrica    b) caracterisitca statica de iesire

 Daca se noteaza V_A si V_B potentialele nodurilor din figura (potentiale in raport cu masa) se pot scrie ecuatiile:
                 (11.55)
                              (11.56)
   Tensiunea baza-emitor a tranzistorului T2 este

  (11.57).
  Din ultima relatie se poate deduce valoarea maxima a curentului de scurtcircuit isc, impunand in relatia (11.57) Uo = 0:

                               (11.58)

   Comparand relatiile (11.58) si (11.58) se vede ca Isc < Io_M caracteristica externa a circuitului fiind de forma celei din figura 11.34.b (cu intoarcere).

   Spre exemplu, daca se aleg urmatoarele valori pentru rezistentele din figura 11.34.a: R₁ = 330Ω, R₂ = 3,3kΩ si Rsc = 1,1Ω,  pentru o tensiune stabilizata de 15V rezulta

   La proiectarea schemei din figura 11.34.a se va urmari ca I_B2 sa fie mult mai micdecat curentul care circula prin divizorul R1, R2; de asemenea, trebuie ca I_C2 > I_B1.

   O schema practica de stabilizator de tensiune cu protectie prin intoarcere este prezentata in figura 11.35. Elementele schemei sunt la fel ca cele din figura 11.33. Curentul maxim de declansare a protectiei este Io_M = 2A, iar curentul de scurtcircuit este Isc = 0,65A (vezi figura 11.34.b).

Fig.11.35. Schema electrica de stabilizator cu protectie prinintoarcerea caracteristicii