PROIECTProiectare asistată de

calculator

1

Stabilizator de tensiune linear

Temă proiectSă se proiecteze un stabilizator de tensiune

linear cu protecție la supracurent (overvoltage) având în vedere:o tensiune de intrare în intervalul (20,30) V ;o tensiune de ieșire reglabilă (3,8) V ;o curentul maxim de ieșire I o=1,5 A .

A. Noțiuni teoretice Pentru o funcţionare corectă a aparaturii electronice şi pentru asigurarea

preciziei funcţionării ei sunt necesare, în multe situaţii, tensiuni de alimentare constante. Pentru aceasta se utilizează stabilizatoare de tensiune continuă conectate între sursa de tensiune continuă nestabilizată şi sarcină.

Definiție

Stabilizatorul de tensiune este un sistem care menține tensiunea de ieșire în limite foarte strânse ( teoretic constantă), indiferent de variațiile tensiunii de intrare, ale curentului de sarcină, sau a temperaturii.

Indiferent de structura lui, un stabilizator poate fi reprezentat ca un diport la care mărimea de ieșire, depinde de tensiunea de intrareU i, de rezistența de sarcină (semnificaţia consumatorului constituit din aparatul electronic alimentat) R s, de temperatură și de alți factori mai puțini importanți.

Fig. 1

2

Fig. 2

B. Generalități Considerând stabilizatorul ca un cuadripol (Fig.1), parametrii principali care îl

definesc sunt:

rezistența de ieșire (internă) a stabilizatorului Ri=( ΔV 0Δi0 ) vi=ct și factorul

(coeficientul) de stabilizareS0=( ΔV iΔV 0 ) i0¿ct.În cazul unui stabilizator real, în limitele curenților și tensiunilor pentru care a

fost proiectat, prezintă rezistențe interne nenule dar foarte mici și coeficienți de stabilizare foarte mari. Un stabilizator ideal de tensiune menţine tensiunea de ieşire constantă în condiţiile în care variază tensiunea de intrare, sarcina şi temperatura. O caracteristică ideală a unui stabilizator ar arăta ca in figura 2. Practic, nu se poate realiza o caracteristică absolut orizontală. Apropierea de stabilizatorul ideal al montajelor reale depinde de circuitele folosite şi de complexitatea acestora.

Corespunzător modului în care se obține efectul de stabilizare deosebim: stabilizatoare parametrice; stabilizatoare cu reacție; stabilizatoare în comutație.

Stabilizatoarele cu reacție sunt cele mai utilizate, ele furnizând tensiunea de ieșire constantă în urma unui proces de reglare. La rândul lor, acestea sunt de două feluri:

cu element regulator serie (ERS); cu element regulator paralel (ERP).Schemele bloc ale celor două tipuri de stabilizatoare cu reacție se prezintă în

figura 3. Se observă că in structura ambelor stabilizatoare este prezent elementul de reglare (serie sau paralel) și circuitul de comandă (CC).

3

a. Fig. 3 b.

ERS funcționează în felul următor:Circuitul de comandă CC supraveghează valoarea tensiunii pe sarcină. Dacă

aceasta este mai mare decât valoarea prescrisă, ERS va fi comandat în sensul reducerii curentului de sarcină, ținând cont de faptul că:

Us= IsRs ()Dacă dimpotrivă Us este mai mică decât valoarea prescrisă, ERS va fi comandat

în sensul creșterii lui Is, determinând, conform relației (), creșterea Us.Dacă temperatura elementului regulator serie crește prea mult sau curentul prin

el depășește valoarea limită circuitul de protecție preia curentul debitat de amplificatorul de eroare, iar elementul regulator serie se închide și nu mai lasă să treacă curent.

C. Schema bloc funcţională IN IN

ERS

CP

AEREF

RR

+

-

Fig. 4

În Fig. 4 avem schemă de stabilizator cu element regulator serie (ERS) comandat de un amplificator de eroare (AE) care compară tensiunea dată de referința de tensiune (REF) cu tensiunea preluată de la ieșire prin rețeaua de reacție (RR). La acesta se adaugă un circuit de protecție la supracurent.

1. Referinţa de tensiune

4

Dioda Zener este dispozitivul care în anumite condiții menține la bornele sale tensiunea cvasiconstantă. Din acest motiv este necesar ca polarizarea circuitului să se facă în curent și nu în tensiune.

Valoarea generatorului de curent este foarte importantă și va trebui determinată pentru fiecare aplicație în parte.

Referinţa de tensiune este formată dintr-o diodă Zener alimentată de la sursă de curent constant. Am ales o diodă de tip D02bz2_2. Acesta are tensiunea de străpungere constantă de aproximativ 2.2V . Rezistenţa R1 este o rezistenţă de polarizare pentru D1 , de valoare 1 k Ω şi menţine tensiunea de 2.2 V dacă dioda este polarizată invers. Diodele Zener au caracteristica de conducţie în polarizare directă similar cu caracteristica oricărei diode redresoare. Polarizând dioda invers, la un moment dat, curentul creşte brusc; dioda intră în regim de străpungere. Apare conducţia inversă în avalanşă şi curentul creşte abrupt.

2. Amplificatorul de eroare

Pentru a menține o tensiune stabilizată la ieșire cât mai constantă se compară cu tensiunea elementului de referință și dacă nu sunt egale, diferența de tensiune cu aceasta se aplică, deci are rol de operație de comparare. Eficacitatea buclei de reacţie poate fi considerabil mărită dacă amplificăm semnalul de eroare inainte să-l aplicăm elementului de control. Am folosit un amplificator de curent continuu cu câștig suficient de mare pentru a asigura o bună stabilizare.

3. Elementul regulatorConsiderând factorul de amplificare al tranzistorului β mare putem scrie că

ic ≈ ie≈ i0.La proiectarea circuitului trebuie avute în considerare o tensiunea minimă colector emitor de 2-3 V pentru a evita intrarea în saturație a tranzistorului.

Aceste caracteristici, la care se adaugă prezența circuitului de protecție, ne asigură funționarea elementului regulator serie fără pericolul supradisipării.

4. Circuitul de protecţie

5

I. Pentru o protecție la supracurent Fig. c am ales să folosesc un circuit care va întoarce curentul la o anumită valoare. Această valoare o reprezintă I osc, valoare la care se va întoarce circuitul.

I 0 sc=0.7R7

II. Pentru o protecție la supratensiune am folosit circuitul din Fig. d.

Avem tranzistorul Q3 Q2N4920 și amplificatorul operațional U3 OPA604BB, circuit care ajută la decuplarea sursei la supratensiune.

D. Calcule

Anexa 1. Componente utilizate

Foile de catalog ale produselor; http://www.datasheetcatalog.com

6

Fig. c

Fig. d

Dispozitive active

Diode

Număr

Tip Specificații

D1 D02BZ2_2 Zener Voltage Vz Typ 2.2VOperating Temperature Max: 150°C

D5 D05AZ30 Zener Voltage Vz Typ 30VOperating Temperature Max: 260°C

OP-AMP

Număr

Tip Specificații

U2, U3 OA604

cu efect de câmp (TEC) în etajul de intrare Ib=1÷10 pA

Input Bias Current V cm= 0V Typ 50 pAInput Offset Current V cm= 0V Typ ±3 pA

Tranzistori

Număr

Tip Specificații

Q1, Q2 2N2222A/ZTX Transistor bipolar(BJT) npn

Q3 Q2N4920 Tranzistor bipolar(BJT) pnp

Dispozitive pasive

Rezistenţe

Număr Valoare Toleranță

R1 1k 1%

R6,R7 175 10%

R8 21k 5%

R11 15k 5%

R13 0,14 5%

R14 16k 20%

R15 3k 5%

7

.model D02bz2_2 D(Is=10.01E-21 N=1.962 Rs=1.603 Ikf=11.45m Xti=3 Eg=1.11 Cjo=1p+ M=.3333 Vj=.75 Fc=.5 Isr=7.539u Nr=2 Bv=2.188 Ibv=11.84m+ Tt=14.43n)

8