Stabilizatoare de Tensiune

www.tad-electronics.com

1 | P a g e

STABILIZATOARE DE TENSIUNE CUPRINS: CAPITOLUL . 1. 1.1 DEFINIII................................................................................................................. pag. 2 1.2 ROLUL STABILIZATORULUI DE TENSIUNE N SISTEMELE ELECTRONICE...................... pag. 3 1.3 PRINCIPII DE FUNCIONARE.................................................................................... pag. 4 1.4 PARAMETRII ELECTRICI............................................................................................ pag. 5 1.5 CLASIFICAREA STABILIZATOARELOR DE TENSIUNE................................................... pag. 7 CAPITOLUL. 2. 2.1 STABILIZATOARE LINIARE........................................................................................ pag. 7 2.1.1 STABILIZATOARE PARAMETRICE................................................................ pag. 7 2.1.2 EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIZATOARE PARAMETRICE................. pag. 12 2.2 STABILIZATOARE DE TENSIUNE N COMUTAIE......................................................... pag. 14 2.2.1 PRINCIPII DE FUNCIONARE....................................................................... pag. 15 2.2.2 ELEMENTUL REGULATOR............................................................................ pag. 19 2.2.3 CLASIFICARE............................................................................................... pag. 20 2.2.4 ALEGEREA DIODEI D................................................................................... pag.20 2.2.5 SCHEME DE PRINCIPIU................................................................................ pag.21 CAPITOLUL. 3 3.1 SUPRASARCINI POSIBILE............................................................................................ pag. 26 3.2 PROTECIA LA SUPRASARCIN................................................................................... pag. 27 3.2.1 LIMITAREA CURENTULUI DE SCURTCIRCUIT................................................ pag. 27 3.2.2. PROTECIA PRIN RELEE.............................................................................. pag. 33 3.3 PROTECIA LA SUPRATENSIUNI.................................................................................. pag.37 3.4 PROTECIA LA REDUCEREA TENSIUNII........................................................................ pag. 39 BIBLIOGRAFIE


2 | P a g e

Funcionarea circuitelor i aparatelor electronice necesit pentru alimentare cu energie surse de tensiune

continu. Indiferent de tipul sursei de energie folosite, consumatorul trebuie alimentat cu o tensiune i un curent de o

anumit mrime, iar aceast mrime trebuie s fie meninut n limitele determinate de parametrii de funcionare ai

circuitului sau dispozitivului respectiv. Pentru aceasta se utilizeaz stabilizatoare de tensiune respectiv stabilizatoare de curent.

1.1 DEFINIII

Aparatul sau dispozitivul electronic care realizeaz funcia de stabilizare a parametrilor unui semnal poarta numele de stabilizator. n funcie de tipul mrimii fizice care caracterizeaz semnalul de intrare, stabilizatoarele pot fi de tensiune ( continu sau alternativ), de curent, de frecven, etc. Un stabilizator de tensiune este un cuadripol, care menine tensiunea de ieire in limite foarte strnse (teoretic constanta), indiferent de variaia tensiunii de intrare, a curentului prin sarcin, sau a temperaturii mediului

ambiant, in domenii specificate prin standarde sau norme tehnice. Variaia temperaturii mediului ambiant in care funcioneaz sistemul se considera un semnal de intrare al acestuia. Stabilizatoarele de tensiune continu fac parte din structura surselor de alimentare alturi de compenentele acesteia: sursa de tensiune(transformator), blocul redresor i blocul de filtraj. Construcia lor se poate realiza astfel: a ) una din cele mai simple metode se bazeaz pe capacitatea unor componente electronice (diode Zener, tuburi cu descarcari in gaze), de a menine ntr-un domeniu dat (domeniul de stabilizare) tensiunea constant la bornele lor. Performanele de stabilizare a tensiunii de ieire, asigurate de un stabilizator bazat pe acest principiu,

sunt strict determinate de caracteristica tensiune-curent a componentei folosite.

Fig.1.1 Exemplu practic de utilizare a diodei Zener

Vom realiza matematic circuitul prezentat in fig.1.1, determinnd toate tensiunile, curenii i puterile disipate, pentru o dioda Zener cu tensiunea de 12,6V si o surs de tensiune continu de 45V impreun cu rezistorul de 1.000. Prezistor = 32,4mA 32,4V = 1,04W Prezistor = 32,4mA 12,6V = 408,24mW b) o alt metod de construcie a stabilizatoarelor de tensiune continu, const in utilizarea unei scheme electrice de amplificator cu reacie fig.1.2. n acest caz tensiunea de ieire se menine constant printr-un proces de reglare automat care se desfoara in dou faze: -tensiunea de ieire, V0, sau o fraciune din ea, kV0 (mrime de reglat), se compar cu o tensiune de referin, VREF (mrime de referin), rezultnd un semnal de eroare = VREF - kV0


3 | P a g e

- semnalul de eroare, , amplificat, comand elementul regulator (element de execuie) pentru a restabili tensiunea de ieire la valoarea prescris, V0.

Fig. 1.2 Schema de funcionare a unui stabilizator de tensiune cu recaie. n literatura de specialitate, stabilizatoarele de tensiune continu cu reacie se ntnlesc i sub denumirea de regulatoare de tensiune continu (Teoria sistemelor de reglare automat). Transformarea aparatului stabilizator de tensiune n dispozitivul regulator de tensiune s-a extins odat cu proliferarea pe pia a stabiliztoarelor de tensiune continu integrate. 1.2 ROLUL STABILIZATORULUI DE TENSIUNE N SISTEMELE ELECTRONICE Redresoarele realizeaz conversia energiei de curent alternativ, furnizat de reea, n energie de curent continu solicitat de consumatori. Exceptnd consumurile pe care le reclam instaliile de putere, sursele de

tensiune de curent continu utilizate la alimentarea aparaturii electronice sunt de putere relativ mici. Majoritatea schemelor necesit fie tensiuni pozitive, fie tensiuni negative de ordinul 24V i cureni de pana la 5A....10A. Schemele echipate cu amplificatoare operaionale necesit surse de polaritate dubl, valorile cele mai frecvente ale tensiunii de alimentare fiind 12V; 15V. n montajele cu circuite logice de tip TTL tensiunea de alimentare este de 5V, iar consumul de curent atinge civa zeci de amperi, n funcie de complexitatea schemei. Variaiile relativ mari ale tensiunii reelei, se transmit i se resimt i n tensiunea obinut la ieirea redresorului. Pentru a asigura funcionarea normal a unui aparat electronic se impune ca variaia tensiunii sursei de alimentare s nu depaeasc anumite limite, dependente de performanele aparatului. Cu ct aparatul electronic este mai sensibil, sau mai precis, cu att trebuie s fie mai stabil sursa de alimentare a acestuia; de exemplu, pentru un microscop electronic tensiunea de alimentare nu trebuie s varieze cu

mai mult de 0,005%, n timp ce amplificatoarele de curent continu i unele aparate de masurare de mare precizie

necesit tensiuni cu o stabilitate superioar cifrei de 0,0001%.


4 | P a g e

Stabilizatoarele sunt circuite electronice, care se conecteaz intre sursa de alimentare i consumator, avnd rolul de a menine constante tensiunea sau curentul consumatorului n raport cu variaiile tensiunii sursei, ale

rezistenei de sarcin, ale temperaturii ambiente i ale altor factori perturbatori. n principiu, stabilizarea unei tensiuni continue se poate asigura fie nainte de redresor, maninnd constant tensiunea alternativ de alimentare(stabilizator de tensiune alternativ), fie dup redresor, intercalnd

ntre acesta i sarcin un element capabil s preia variaiile de tensiune.

Fig.1.3 Prezentarea stabilizatorului de tensiune continu n blocul sursei de alimentare Dac prima variant stabibiliza numai variaiile tensiunii de reea , cea de a doua prezint avantajul c menine constant tensinea pe sarcin indiferent de cauzele care tind s o modifice. 1.3 PRINCIPII DE FUNCIONARE Stabilizarea ser ie (fig.1.4 a) const n plasarea elementului regulator n serie cu rezistena de sarcin Rs. n acest caz, elementul regulator se comport ca o rezisten variabil a crei marime este controlat de tensiunea de

ieire V0 prin bornele 2-3, cnd tensiunea de intrare Vi crete, tensiunea V0 de ieire tinde s urmreasca aceast cretere i acioneaz asupra elementului regulator, care-i mrete rezistena ntre bornele 1-2. Evident, n acest mod creterea tensiunii la intrare va fi compensat de cderea de tensiune ce se nregistreaz ntre bornele 1-2 i ca atare, tensiunea la ieire va reveni la valoarea anterioar.

Fig 1.4 Schema de principiu a unui stabilizator de tensiune a.)cu element regulator serie; b.)cu element regulator paralel Odat cu scderea tensiunii la intrare, rezistena ntre bornele 1-2 i micoreaz valoarea astfel nct tensiunea le ieire s rmn de asemenea neschimbat. Simbolul rezistor variabil marcat pe schema bloc din fig. 1.4

a) pune n eviden faptul c elementul regulator serie funcionez ca un rezistor variabil n serie cu sarcin

ajustndu-i mrimea rezistenei n scopul meninerii constante a tensiunii de ieire. Stabilizarea paralel, const n plasarea elementului regulator n paralel cu sarcina (fig.1.4 b). Elementul regulator n acest caz este un dispozitiv cu o rezisten dinamic foarte mic n zona de lucru, ceea ce permite ca

variaiile curentului care l starbate s nu produc schimbri nensemnate ale tensiunii la bornele lui (situaie tipic

ntnlit n cazul unei diode Zener).


5 | P a g e

Procesul de stabilizare n acest caz este urmatorul: odat cu creterea tensiunii Vi la intrare, crete i curentul de intrare iI. Elementul regulator, avnd rezistena dinamoc foarte mic n comparaie cu rezistena de sarcin RS, va prelua ntreaga variaie a curentului de intrare. Rezistorul R (de balast) contribuie la realizarea stabilizrii prelund variaiile de tensiune de la intrare; n acest mod creterea tensiunii Vi va fi compensat de cderea suplimentar de tensiune pe aceast rezisten. Dac tensiunea la ieire va scdea, cderea de tensiune pe rezistorul R se va micora cu aceeai valoare. Efectul de stabilizare se manifest i n cazul n care variaz rezistena de sarcin, iar tensiunea Vi rmne constant. n acest caz cderea de tensiune Vr, pe rezistorul R rmne neschimbat, deoarece creterea curentului de sarcin se obine pe seama scderii curentului prin elementul regulator. Stabilizarea n paralel se bucur de avantajul unei construcii mai simple ct i dac ieirea este pus accidental n scurtcircuit la mas, acesta nu sufer defeciuni deoarece la bornele sale tensiunea va fi nul; dac n

aceste condiiisursa de alimentare poate furniza fr distrugere curentul Vi/R si rezistorul R poate disipa puterea corespunztoare acestui curent, elementele componente ale stabilizatorului nu se defecteaz. Stabilizarea serie a tensiunii, dei conduce la scheme mai complexe asigur un reglaj mai bun. Acest tip de reglaje, comparativ cu stabilizarea n paralel, are un randament mai mare, n special n cazul curenilor mici de

sarcin. Punerea n scurtcircuit la mas a ieirii stabilizarii serie poate conduce la distrugerea elementului

regulator; de aceea pentru evitarea efectelor unui scurtcircuit stabilizatoarele de acest tip sunt prevazute cu circuite

de protecie, care sunt fie limitatoare de curent (limiteaza intensitatea curentului prin sarcin la o valoare prereglat), fie circuite care deconecteaz alimentarea, ndat ce a fost depait o anumit intensitate a curentului prin sarcin. 1.4 PARAMETRII ELECTRICI Mrimile prezentate se refer n primul rnd la stabilizatoarele de tensiune integrate monolitice. Parametrii unui stabilizator de tensiune continu se clasific n dou categorii: - valori limit absolut, - caracteristici electrice. Valori limit absolut, care descriu ncrcarea maxim a stabilizatorului, reprezint parametrii prin a cror respectare se garanteaz funcionarea stabilizatorului n conformitate cu specificaiile caracteristicilor electrice. Valorile limit absolut indicate de obicei de productorii de circuite stabilizatoare de tensiune sunt: - tensiunea maxim de intrare, ViMAX, - puterea dispat, PDMAX, - domeniul temperaturii ambiente de funcionare, TAMAX,TAMIN, - domeniul temperaturii de stocare, TSMAX, TSMIN. Caracteristicile electrice, descriu funcionarea propriuzis a stabilizatorului: a.)limitele de intrare i de ieire. - tensiunea de intrare Vi, - tensiunea de ieire V0, - diferena de tensiune intrare- ieire (Vi-V0), - curentul de vrf la ieire IOM, - curentul de ieire n scurtcircuit ISC, - curentul consumat n gol IG. b.)precizia cu care se controleaz nivelul tensiunii la ieire n domeniul de variaie, la aciunea unor factori perturbatori variabili (tensiune de intrare, curentul de ieire, temperatura ambiant, etc.); n aceast categorie inclunznd:


6 | P a g e

- stabilizarea de intrare (linie), Kv-reprezint variaia procentual a tensiunii de ieire pentru o variaie specificat a tensiunii de intrare, n condiiile meninerii constante a curentului de ieire i a temperaturii

mediului ambiant.

I0,T constante [%]

Kv= 00

100 Vi specificat - stabilizarea de sarcin, KL reprezint variaia procentual a tensiunii de ieire pentru o variaie specificat a curentului de ieire n condiiile meninerii constante a tensiunii de intrare i a temperaturii

mediului ambiant.

I0 - specificat [%]

KL= 00

100 V1,T - constante - coeficientul de temperatur al tensiunii de ieirii, KT reprezint raportul dintre variaia tensiunii de ieire msurate la eztremitaile domeniului temperaturii ambiente de funcionare i marimea acestui

domeniu, exprimat procentual fa de valoarea tensiunii de ieire msurate la TA= 25C, n condiiile meninerii

constante a tensiunii de intrare i a curentului de ieire.

KT= 0[]0[]

1

0(25) 100 [%/C] - stabilitatea pe termen lung LTS reprezint variaia procentual a tensiunii de ieire, msurat dup 1.000 de ore de funcionare n condiii de via accelerat (tensiune de intrare i putere maxim).

T = 1.000 ore

LTS=00

100 V1, PD = MAX [%/1.000 ore] Prin construcia stabilizatorului, utilizatorului nu i se permite ajustarea tensiunii de ieire, n definirea parametrilor de mai sus se renun la normarea prin V0; n acest caz parametrii menionai devin: - stabilizarea de intrare kV=V0 ; [mV] - stabilizarea de sarcin kL= V0; [mV]

- coeficientul de temperatur al tensiunii de ieire kT=[][]

; [mV/C]

- rejecia tensiunii de ondulaie (pulsaie), RR (Ripple Rejection)- reprezint raportul exprimat n decibeli (dB) dintr valoarile de vrf la vrf ale tensiunii de ondulaiemsurate la intrare (Vir), respectiv la ieire (Vor), pentru o frecven specificat:

RR =20 lg

[dB] - tensiunea de zgomot la ieire, VN reprezint valoarea eficace a tensiunii de zgomot msurat la ieirea stabilizatorului, ntr-o band de frecven specificat, n condiiile meninerii tensiunii de intrare i a curentului de ieire la valori costante i a absenei tensiunii de ondulaie. La aciunea simultan a tuturor

factorilor perturbatori aceasta se poate aproxima astfel:


7 | P a g e

V0 (t, T)= 0[10,25]

100 . [ + + ( 25) + .

1.000 ] unde t este timpul msurat din momentul punerii n funciune a stabilizatorului. Parametrii electrici enumerai sunt comuni pentru majoritatea stabilizatoarelor de tensiune continu.

1.5 CLASIFICAREA STABILIZATOARELOR DE TENSIUNE n funcie de modul de acionare a elementului regulator distingem: - stabilizatoare cu aciune continu, (stabilizatoare liniare) la care elementul regulator funcioneaz continu. - stabilizatoare cu aciune discontinu (stabilizator n comutaie), la care elementul regulator funcioneaz n regim de comutaie, ncrcnd un element acumulator de energie(un condensator), care

furnizez tensiunea de ieire pe sarcin pe durata cand ncarcarea condensatorului este ntrerupt. n funcie de modul de conectare a elementului regulator n raport cu sarcina, stabilizatoarele de tensiune se mpart n: - stabilizator tip serie, - stabilizator tip paralel. n raport cu metoda de stabilizare exist dou tipuri principale de stabilizatoare: - stabilizatoare n bucl deschis (parametrice)(open-loop regulator), - stabilizatoare n bucl nchis (cu reacie)(fleedback regulator). Dup posibilitatea de ajustare a nivelului tensiunii de ieire oferit utilizatorului, stabilizatoarele se clasific astfel: - stabilizatoare de uz general (de tensiune variabil), - stabilizatoare de tensiune fix. n funcie de puterea disipat maxim admis se disting urmtoarele tipuri: - stabilizatoare de mic putere Pdmax1W; - stabilizatoare de medie putere 1WPdmax15W ; - stabilizatoare de mare putere Pdmax>15W. La stabilizatoarele de tensiune fix precizia de meninere a tensiunii la ieire permite clasificarea n: - stabilizatoare uzuale, la care nivelul tensiunii de ieire se garanteaz cu o precizie de 2-5% i un coeficient de temperatur de ordinul sutelor de ppm/C, - stabilizatoare de precizie(referine de tensiune), al cror nivel de tensiune de ieire se garanteaz cu o precizie mai mare de 2,5% i un coeficient de temperatur sub 1ppm/C.

2.1 STABILIZATOARE LINIARE Acest tip de stabilizatoare de tensiune controleaz i regleaz, n mod continu nivelul tensiunii de ieire. Elementul regulator serie (de obicei un tranzistor bipolar de putere) funcioneaz liniar. La rndul lor dup cum sa precizat i anterior stabilizatoarele de tensiune liniare pot fi parametrice i liniare. 2.1.1 STABILIZATOARE PARAMETRICE 1. Stabilizatoare parametrice simple Stabilizatoarele de acest tip reprezint un dispozitiv electronic destinat s menin ct mai constant tensiunea la bornele unei sarcini pe baza caracteristicii sale tensiune-curent, fr s se recurg la circuite suplimentare de reacie.


8 | P a g e

Utilizarea acestor tipuri de stabilizatoare este util atunci cnd este necesar s se alimenteze o sarcin cu o tensiune relativ constant. Ca i element regulator n aceste stabilizatoare se utilizez dioda Zener dar i tuburile cu descrcri n gaze de tip stabilivolt precum i unele rezistoare cu o caracteristic aa-numit neliniar. Stabilizatoare de tensiune cu diode Zener La fel ca i in Capitolul. 1. Schema de principiu a celui mai simplu stabilizator de tensiune cu diod Zener este prezentat in fig 2.1, n care dioda este conectat n paralel cu rezistena de sarcin Rs. Curentul prin rezistena de balast R1 este egal cu suma dintre curentul prin sarcin i curentul prin dioda stabilizatoare.

Fig.2.1 Stabilizator parametric de tensiune n cazul acestei scheme efectul de stabilizare are loc astfel: crescnd progresiv tensiunea Vi la intrarea stabilizatorului pn la tensiunea de stabilizare Vz, curentul prin diod este aproape nul (Iz=0), dioda Zener este blocat iar tensiunea de ieire V0 este proporional cu tensiunea de intrare Vi. Peste tensiunea Vzn a diodei D1, curentul Iz crete brusc, crescnd i cderea de tensiune la bornele rezistorului R1, astfel c tensiunea la ieire V0 va rmne aproximativ constant. Datorit scderii pronunate a curentului prin dioda D1, cderea de tensiune prin rezistorul R1 se micoreaz, ceea ce face ca tensiunea pe sarcin s rmn neschimbat. Dac I0 crete, datorit micorrii rezistenei de sarcin Rs, va scdea puin i tensiunea aplicat diodei D1, ceea ce determin micorarea pronunat a curentului prin acesta, deci i a cderii de tensiune pe R1 i ca rezultat tensiunea de ieire V0 va rmne neschimbat. Rezistorul R1 determin curentul Iz la tensiunea maxim posibil la intrare V1MAX iar rezistena de sarcin Rs determin curentul minim prin sarcin, IOM de la care ncepe stabilizarea. Coeficientul de stabilizare pentru schema prezentat n fig.2.1 se determin astfel:

Kv1=

1

n care tensiunea de intrare variaz n limitele:

v1min=VIm i viMAX=VIM Rezistena de ieire (intern), R0, a stabilizatorului este egal cu :

R0= 11+


9 | P a g e

Prin creterea rezistenei R1 coeficientul de stabilizare se reduce dar,n acest caz, randamentul montajului se diminueaz prin creterea nsemnat a puterii disipate pe acest rezistor. Stablizatoare de tensiune cu tranzistoare n cazul n care curentul furnizat n sarcin de schemele de stabilizare cu diod Zener este mai mare dect curentul pe care-l poate suporta dioda Zener, schemelor li se pot aduga unul sau mai multe tranzistoare cu ajutorul crora se amplific acest curent. n funcie de modul n care se conecteaz n schem acest tranzistor sunt posibile

trei configuraii de stabilizatoare: configuraie serie, configuraie paralel i configuraie serie paralel. Configuraie serie n acest configuraie schemelor cu diode Zener li se adaug un tranzistor bipolar n serie cu sarcina, aa cum rezult din figura 2.2 pentru a li se extinde(amplifica)curentul de ieire.- De multe ori acest montaj este considerat cu reacie.Conform capitolelor introductive n categoria stabilizatoarelor cu reactie vom include numai acele stabilizatoare care au i un amplificator de eroare. Dioda Zener se alege astfel nct prin conectarea tranzistorului Q tensiunea la ieirea stabilizatorului s fie fixat la valoarea dorit, egal cu tensiunea diodei Zener, minus cderea de tensiune emotor-baz a tranzistorului V0=Vz-VBE .

Fig. 2.2 Stabilizator parametric cu tranzistor serie Dac tensiunea pe sarcin crete, datorit unei cauze oarecare, concomitent se micoreaz i tensiunea ntre baz i emitorul tranzistorului serie. n acest caz, astfel nct tensiunea la ieire revine la valoarea sa normal. Odat cu micorarea tensiunii de ieire, se produce i creterea tensiunii baz-emitor a tranzistorului, curentul de colector al acestuia crete i drept urmare tensiunea la ieirea stabilizatorului revine la valoarea iniial. n figura 2.3 se prezint un alimentator stabilizat de 9V/250mA, realizat pe baza schemei din figura 2.2. Tensiunea furnizat de transformatorul T, cu priz median, de 2x12 Vef, este redresat prin intermediul a dou

diode 1N4002. Rezistorul R1 de 1 limiteaz vrfurile de curent prin diodele redresoare, care pot aprea datorit capacitaii C1 de 500F. Tensiunea de ondulaie n colectorul tranzistorului Q este redus prin intermediul filtrului

R2-C2. Dioda stabilizatoare DZ(PL10Z) este alimentat prin rezistorul de 300 i furnizeaz o tensiune de 10V pe baza tranzistorului BD135. Rezistena de 200 este o rezisten de presarcin care asigur un curent de pornire


10 | P a g e

Fig.2.3 Surs de tensiune de 9V/250mA pentru tranzistor n lipsa sarcinii(Bleeder-eng.-;asigur polarizarea direct a tranzistorului, astfel nct tensiunea de ieire n gol s fie meninut la valoarea dorit). Tranzistorul Q disip o putere de aproximativ 2W n condiiile cele mai dificile de funcionare i de aceea trebuie montat pe un radiator (de exemplu o plac de aluminiu de 7,5X7,5

cm, cu o grosime de 2 mm). Performanele schemei de baz pot fi nbunataite fie prin utilizarea unor tranzistoare compuse configuraie Darlington (fig.2.4), fie prin dispunerea n paralel a mai multor tranzistoare bipolare (fig.2.5).

Fig. 2.4 Configuraia Darlington pentru elementul regulator serie Fig.2.5 Configuraia paralel a) cu tranzistoare NPN; b)cu tranzistoarePNP; c)cu tranzistoare complementare Schema din figura 2.5 se utilizez n cazul n care puterea admis pe un tranzistor este insuficient pentru furnizarea curentului de sarcin necesar. Tranzistoarele Q1,Q2 legate n paralel se selecioneaz dup mrimea

factorului i se protejeaz prin rezistenele Re de egalizare a curenilor. Configuraia paralel n figura 2.6 se prezint dou variante de scheme. Tensiunea la ieire n aceste cazuri este egal cu suma dintre tensiunea diodei Zener i tensiunea emitor-baz a tranzistorului, V0=Vz+Vbe .


11 | P a g e

Fig.2.6 Stabilizator parametric cu tranzistor paralel Pentru a pune n eviden aciunea de stabilizare a schemelor prezentate se presupune c tensiunea de ieire are o cretere mic; n acest caz tensiunea Vbe crete (conform relaiei de mai sus) deoarece Vz= constant. Rezult c att IB ct i IC cresc, i deci i cderea de tensiune R1I crete, fcnd ca V0 s scad. Evident, n acest caz nsui tranzistorul i regleaz curentul de colector, care la rndul su ajusteaz cderea de tensiune pe rezistena de balast

R1, contribuind prin aceasta la meninerea constant a tensiunii la ieire. Aciunea de stabilizare a schemei la modificarea tensiunii de intrare se explic prin aceea c variaiile acestei tensiuni determin variaii ale curentului prin tranzistor. Cderea de tensiune provocat de variiile curentului prin rezistena R1 compenseaz variaiile tensiunii de intrare. Astfel, dac tensiunea de intrare crete, tensiunea de ieire

tinde, de asemenea, s creasc. Ca urmare, tensiunea baz-emitor i curentul prin tranzistor se mresc, cderea de tensiune pe R1 crete i n final tensiunea de ieire revine aproape de valoarea sa iniial. Avantajul nlocuirii unei diode Zener de putere printr-o asociere Diod Zener de mic putere Tranzistor bipolar (cazul din figura 2.6), avantaj concretizat , att prin creterea puterii comandate (factor de multiplicare ),

ct i prin reducerea rezistenei dinamice, este cel mai bine pus n eviden n figura 2.7, unde ca element de reglare paralel se folosete o configuraie Darlington. n acest caz, cu o diod Zener de putere sub 1W se poate stabiliza o putere de peste 10W.

Fig. 2.7 Stabilizator simplu cu configuraie Darlington paralel Configuraia serie-paralel Cunoscnd caracteristicile funcionale ale celor dou tipuri de stabilizatoare prezentate, este posibil s se utilizeze calitaile fiecrui tip n parte, pentru realizarea de combinaii de montaje serie-paralel.


12 | P a g e

n figura 2.8 se prezint o astfel de schem, n care tranzistoarele T2 i T3 constituie un etaj n contratimp comandat de etajul colector comun realizat cu tranzistorul T1, care reproduce pe emitorul su tensiunea diodei

Zener Z, compensat n temperatur cu diodele D1 i D2.

Fig.2.8 stabilizator parametric serie-paralel Cderile de tensiune la bornele diodelor D1D2 compenseaz i tensiunile Vbe ale tranzistoarelor T1 i T2, astfel c la ieirea montajului se regasete o tensiune egal cu tensiunea Vz a diodei Zener Z. 2.1.2 EXEMPLU DE CALCUL PENTRU STABILIZATOARE PARAMETRICE

n exemplul urmtor vom evidenia relaiile de calcul pentru stabilizatorul parametric serie cu tranzistor din figura 2.2. Se cere s se calculeze o surs de alimentare al crui consum variaz ntre 20 i 200 mA la 9V, alimentarea facndu-se de la reaua de curent altenativ, care poate avea variaii de tensiuene de -15+10%, din tensiuenea nominal. n vederea efecturii calculelor se urmaresc urmtorii pai: 1. Se determin tensiunea minim la intrarea stabilizatorului, necesar funcionrii normale, (n cazul tensiunii de reea minime i a curentului de sarcin maxim), din condiia impus tranzistorul serie s nu intre n regim de

saturaie. VIm=[V0+(4...6)]V=9+5=14V innd seama de plaja admis pentru variaia tensiunii reelei, printr-o regul de trei simpl se determin att tensiunea normal VI=16V ct i tensiunea maxim VIM=18V care se aplic la intrarea stabilizatorului. Utiliznd un transformator urmat de un redresor dubl alternan cu filtru prin condensator, tensiunea V2 n secundarul transformatorului se deduce astfel: V1=V2-0,7=16V din care rezult: V2=12Vef


13 | P a g e

de unde 0,7VF, reprezint cderea de tensiune pe dioda redresoare. Se folosete un transformator care furnizeaz n secundar o tensiune de 2x12Vef 2. Se estimeaz cderea de tensiune i puterea maxim disipat pe tranzistorul serie. VCEMAX=VIM-V0=18-9=9V PdMAX=(VIM-V0)IM=(18-9)0,2=1,8W Se alege tranzistorul n funcie de rezultatul obinut mai sus dup datele de catalog. 3. Se determin tensiunea necesar a diodei Zener Vz, tensiunea VBE a tranzistorului serie sczndu-se din tensiunea Vz aceasta din urm s fie egal cu: Vz=9V+VBE=9,6V 4. Se calculeaz rezistena RB de polarizare a diodei Zener i a bazei tranzistorului serie (pentru a se asigura curentul

minim prin diod Izm i curentul de comand a bazei tranzistorului serie, IB), pentru dou categorii de diode Zener: - pentru diode Zener de mic putere (Pmax=0,3W,Izm=25mA) Se consider o diod Zener de 10V cu caracteristicile: Vzm=9,4V; Vzt=10V; Izt=5mA; Izm=28mA

RB = +

= ,,+, = 468

se alege RB = 430 5% - pentru diode Zenere de 1-5W cu Izm = 5...30mA; se consider o diod Zener de 10V cu caracteristicile: Vzm=9,4V; Vzt=10V; Izt=50mA; Izm=94mA.

RB = ,,+, = 305

se alege RB = 300 5% 5. Se calculeaz curentul maxim prin dioda Zener Izmax i puterea disipat de acesta (cnd tensiunea la intrarea

stabilizatorului are valoarea maxim, VIM) astfel:

Izmax =

< IZM

Izmax = ,

= 20mA


14 | P a g e

la vi = Vim = 14V, I1 = IRB =

i IB =

I1 =

= 10mA

IB = = 5mA

Iz = I1-IB 10-5 = 5mA rezult c n aceast situaie dioda Zener este strbtut de un curent suficient pentru ca stabilizatorul sp

funcioneze normal. b.) consumul de curent peste 200mA conduce la acelai efect: cureni mari de colector, curentul bazei tranzistorului serie crete mult nu numai din cauza creterii curentului I0, ci i din cauza scderii parametrului h21E.

Astfel , pentru tranzistoarele de putere cu h21E mic, IB poate depai marimea Iz, fcnd ca prin diod s nu mai treac curentul minim de stabilizare, ceea ce face ca tensiunea Vz la bornele diodei s scad i astfel s scad i

tensiunea de ieire. Cu alte cuvinte, calculul montajului propus ar necesita o diod Zener care s suporte un Izm ridicat permind de la bun nceput mrirea curentului prin micorarea lui RB. Pentru a crete factorul de stabilizare trebuie micorat curentul IB, acest lucru putnd fi asigurat cu montajul Darlington. 2.2 STABILIZATOARE DE TENSIUNE N COMUTAIE Stabilizatoarele de tensiune de tip liniar prezint avantajul asigurrii unei stabilizri bune dublat de posibilitile remarcabile de filtrare a tensiunii ondulatorii reziduale de intrare. ntradevr, n stabilizatoarele de tensiune liniar, elementul regulator disip o putere egal cu produsul (vi-V0)xI0. Aceasta constitue o limitare sever a sferei lor de utilizare att n cazul unor diferene mari ntre tensiunea de intrare i tensiunea de ieire ct i la furnizarea unor cureni importani n sarcin. Utilizarea stabilizatoarelor n regim de comutaie contribuie att la creterea puterii disponibile n sarcin, ct i la creterea eficienei de alimentare; se obin randamente de peste 90% chiar i n cazul n care tensiunea stabilizat

de la ieire este de numai o fraciune din tensiunea de intrare. Datorit funcionrii elementului regulator n regim de comutaie, el poate asigura diferene de tensiune intrare-ieire mai mari comparativ cu stabilizatoarele de tensiune liniare. Dminuarea pierderilor de putere elimin radiatoarele supradimensionate, reducnd gabaritul surselor de alimentare. Fa de nivelul tensiunii de intrare,

stabilizatoarele n regim de comutaie pot furniza la ieire nivele de tensiune mai mari, mai mici sau de polaritate

invers. Cu toate aceste avantaje, sursele n comutaie prezint sub aspectul performanelor electrice i unele dezavantaje. Rspunsul la variaii rapide ale curentului de ieire este mai lent. Tensiunea de ieire conine o compenent de ondulaie cu amplitudinea de ordinul a civa zeci fde mVvv i o frecven de zeci de kHz.

Complexitatea ridicat a schemelor electrice i necesitatea ecranrii radiaiei de radiofrecven emis n timpul

funcionarii, necesit un efort mai mare n realizarea acestora.


15 | P a g e

2.2.1 PRINCIPII DE FUNCIONARE Un stabilizator de tensiune n comutaie este alctuit dint-un element comutator, un circuit de acumulare i un circuit de comand i control.

Fig.2.9 Schema de principiu a stabilizatorului de tensiune n comutaie Tensiunea continu nestabilizat, v1, furnizat de sursa primar de alimentare este aplicat la intrare; ea se eantioneaz ntr-o succesiune de impulsuri de frecven i se aplic circuitului acumulator,format din condensatorul C0 i din inductana L. Nivelul tensiunii se ieire se sesizeaz prin circuitul de control, care furnizeaz semnalul de corecie necesar circuitului de comand; acesta modific una din caracteristicile formei de und livrate de comutator(durat impuls, frecven, amplitudine) i compenseaz astfel variaiile tensiunii de ieire. S este elementul comutator ( de regul tranzistor, n unele cazuri un tiristor), comandat sub aciunea semnalului furnizat de circuitul de comand. Acest comutator se nchide periodic permitnd aplicarea la intrarea

filtului LC0 a unor impulsuri de tensiune a cror amplitudine este egal cu tensiunea de intrare Vi i a cror durat, depinde de timpul n care comutatorul este nchis. Perioada de succesiune a impulsurilor este: T=ton+toff Pentru un filtru LC ideal, pe care nu exist cdere de tensiune continu, valoarea medie a curentului la ieirea stabilizatorului este:

V0=Vi +

=Vi

Din relaia de mai sus rezult c, pentru Vi i T constante mrimea tensiunii la ieirea stabilizatorului V0 este proporional cu durata impulsului ton; raportul dintre durata impulsului, ton i perioada lui, se numete factor de umplere:


16 | P a g e

= ton/T pentru T = constant , tensiunea la ieirea stabilizatorului este: V0 = vi unde


17 | P a g e

Curentul prin bobin scade continu spre zero pn ntreruptorul S se nchide din nou i ciclul se reia. Circuitele electronice care completeaz schema stabilizatorului n comutaie controleaz timpii ton i toff ai ntreruptorului S astfel nct curentul mediu prin inductan s fie egal cu curentul prin sarcin, curentul prin C0 s fie nul i V0 s

rmn constant. Curentul prin bobin, Il, variaz ntre dou limite ILM i Ilm. Curentul furnizat la ieire I0 rezult din forma de und a curentului prin bobin i este egal cu ( ILM+Ilm )/2. Dup valorile pe care le ia n timpul funcionrii curentul IL se disting dou moduri de lucru: - modul de lucru cu funcionare nentrerupt (permanent), cnd curentul IL nu atinge niciodat valoarea 0. - modul de lucru cu funcionare intermitent, cnd curentul IL scade la zero ntr-un timp mai scurt sau egal cu toff. Modul de lucru cu funcionare permanent este avantajos deoarece minimizeaz efectul variaiei curentului prin sarcin asupra temsiunii de ieire. Acest regim de lucru se obine n momentul n care mrimea inductanei se

alege mai mare dect valoarea critic (LCR) pentru care ILM=0 n momentul anterior nchiderii ntreruptorului S. Regimul de lucru intermitent este neindicat deoarece nrutete atenuarea pulsurilor (filtrarea) la ieirea stabilizatorului. Schema funcional a circuitului de putere al stabilizatorului n comutaie de tip cobortor, conine patru elemente de baz: comutatorul S, inductana L, condensatorul C0 i dioda D. Cu aceleai componente se

implementeaz un circuit de putere pentru un stabilizator de tensiune n comutaie n care mrimea tensiunii la

ieire V0 s fie mai mare dect tensiunea la intrareVi; acest circuit de tip stabilizator ridictor de tensiune ( Step-up switching regulator ) se d n Fifura 2.11. n acest caz la nchiderea ntreruptorului S, tensiunea de intrare Vi se aplic pe inductana L, prin care ncepe s treac un curent Il, cresctor liniar, deoarece constanta de timp a circuitului =L/Rl este mult mai mare dect timpul

n care ntreruptorul S se menine nchis.

Fig.2.11 Schema de principiu a circuitului de putere a unui stabilizator de tensiune n comutaie ridictor de tensiune n acest timp dioda D nu conduce, deoarece la bornele ei se aplic tensiunea (invers) Vc, a condensatorului C0, ncrcat ca rezultat al unui numr de comutri anterioare ale ntreruptorului S. Tensiunea pe rezistena de sarcin

Rs n intervalul ton este egal cu tensiunea lui C0; tensiunea electromotoare care apare pe bobina L n acest inteval de timp este egal cu tensiunea de intrare i are polaritatea invers acesteia ( polaritate indicat pe schem fr paranteze ).


18 | P a g e

La deschiderea ntreruptorului S, curentul din L nu poate s i schimbe sensul ( n sensul marcat pe figur n paranteze ); aceast tensiune ( de autoinducie ) se nseriaz cu tensiunea de intrare. Din acest moment dioda D va

conduce ( deoarece la bornele ei se aplic suma dintre tensiunea de intrare Vi i tensiunea obinut pe sarcin este

mai mare dect tensiunea VL ) i va alimenta condensatorul C0. Tensiunea obinut pe sarcin este mai mare dect

tensiunea de intrare, cu o mrime egal cu tensiunea de autoinducie VL pe bobina L. Bobina L la acest tip de stabilizator nu contribuie la reducerea tensiunii de ondulaie la ieire ci este componenta n care se nmagazineaz energia electric pe durat ton, de deschidere a ntreruptorului S. Aceast energie, pe durata toff, se nsumeaz cu energia sursei de alimentare i se transmite sarcinii. Din acest motiv prezena lui C0 n schema stabilizatorului este necesar din punct de vedere principal, deoarece el

este singura component din schem care asigur meninerea tensiunii constante pe sarcin n intervalul ton. Mrimea tensiunii la ieirea stabilizatorului este legat de tensiunea de intrare Vi astfel:

V0 = Vi

Din aceast relaie rezult c tensiunea la ieirea stabilizatorului ridictor este totdeauna mai mare dect tensiunea la intrarea lui. Cu ct coeficientul de umplere este mai mare cu att va fi mai mare i tensiunea la ieire fa de tensiunea de intrare. Cu ajutorul acelorai componente L,C,D,S se poate realiza un stabilizator de tensiune de putere care poate avea la ieire V0, polaritate invers fa de tensiunea de intrare ( Inverter switching regulator ); avnd schema de

principiu dat in Figura 2.12.

Fig.2.12 Schema de principiu a circuitului de putere al unui stabilizator de comutaie tip inversor de tensiune. Pentru explicarea funcionrii se consider circuitul dup sufucient de multe cicluri de comutare ale ntreruptorului S, astfel nct schema funcioneaz n regimstaionar. La nchiderea ntreruptorului S, pe bobina L

se aplic tensiunea Vi, prin care trece curentul Il, liniar cresctor. Polaritatea pe bobin este reprezentat pe figur

fr paranteze. n acest timp dioda D este blocat, deoarece pe ea se aplic o tensiune invers egal cu Vi. Pe durata


19 | P a g e

ton cnd tranzistorul conduce ( comutatorul S nchis ), energia se stocheaz n bobin. Curgerea curentului n circuit s-a indicat cu linie continu. Pe durata toff cnd tranzistorul se blocheaz (comutatorul S deschis ) tensiunea pe bobin se inverseaz 9 semnul marcat pe figur cu paranteze ), dioda D se polarizeaz direct i energia stocat n bobin se transfer pe C2

i sarcin. Mrimea tensiunii la ieirea stabilizatorului, fa de tensiunea la intrarea sa este: V0 = Vi

Dup cum se observ tensiunea la ieire poate avea o valoare absolut, mai mare sau mai mic, n funcie de mrimea factorului de umplere , fa de tensiunea de intrare i avnd polaritate invers fa de aceasta. 2.2.2 ELEMENTUL REGULATOR De obicei n practic se folosesc dou categorii de stabilizatoare n comutaie: 1) cu element regulator ( comutatorul S )- tranzistoare bipolare utilizate pentru puteri mici i medii. 2) cu element regulator -tiristoare dar i tranzistoare MOSFET de putere, utilizate acolo unde sunt necesare puteri importante. Comparativ cu stabilizatoarele n regim liniar, stabilizatoarele de tensiune n comutaie se caracterizeaz prin faptul c elementul regulator funcioneaz n regim de impulsuri, la frecvene relativ ridicate ( de la 10Khz la peste

100Khz ). Funcionarea tranzistorului bipolar n regim de comutaie este prezentat n figura 2.13 astfel c:

a) schema de principiu b)dependena IR(t); V0(t) Fig. 2.13 Funcionarea tranzistorului bipolar n comutaie se presupune c pe baza tranzistorului Q, conectat n circuitul sursei de alimentare n serie cu rezistorul de sarcin

RS, se aplic impulsuri de curent, de form dreptunghiular ( de comand )figura 2.13b, cu amplitudinea IB. n

intervalul t1-t2, cnd curentul de baz este nul, punctul de funcionare a tranzistorului este VCE-IC=IB=0; n acest


20 | P a g e

interval de timp tranzistorul este blocat curentul prin el fiind foarte mic i aproape ntreaga tensiune de intrare Vi se

aplic jonciunii colector-emitor. n intervalul t2-t3 pe baza tranzistorului se aplic un impuls de curent cu amplitudinea IB>IBC, tranzistorul ajungnd n stare saturat. Att n regim de blocare ct i cel de saturaie, pe tranzistor se disip o putere neinsemnat, deoarece ntr-un caz curentul de colector este foarte mic, iar n cellalt caz, cderea de tensiune pe tranzistor este deasemenea foarte

mic. Tensiunea de ieire V0 n schema din figura 2.13a va avea forma de tren de impulsuri dreptunghiulare cu amplitudinea aproximativ egal cu tensiunea de intrare. 2.2.3 CLASIFICARE n funcie de modul de conectare a elementului regulator stabilizatoarele n comutaie se mpart n stabilizatoare de tip serie ( fig.2.10, 2.12 ) i de tip paralel ( fig.2.11 ) Dup modul n care se afl nivelul tensiunii de ieire , stabilizatoarele se mpart: - stabilizatoare cobortoare de tensiune; - stabilizatoare ridictoare de tensiune; - stabilizatoare inversoare de tensiune. n funcie de modul de reglare a tensiunii de ieire stabilizatoarele n comutaie se clasific n: - stabilizatoare cu modulare n durat a impulsurilor; - stabilizatoare cu modulare n frecven a impulsurilor; - stabilizatoare autooscilante. 2.2.4 ALEGEREA DIODEI D Este cunoscut faptul c la comutaia unei diode din starea de conducie direct n starea de blocareexist o perioad de timp n care dioada nu este capabil s blocheze tensiunea invers aplicat. n acest interval de timp dioda se comport ca un scurtcircuit. Dup care urmeaz un regim tranzitoriu prin care se atinge valoarea staionar

a impendanei mari de blocare. Timpul necesar ca toi purttorii de sarcin minoritari acumulai n vecintatea

jonciunii la polarizarea direct s fie eliminai, se numete timp de revenire invers. La un stabilizator n comutaie aceast perioad n care dioda rmne nc n stare de conducie, dup saturarea tranzistorului de comutaie poate constitui cauza urmtoarelor inconveniente: - tranzistorul urmeaz s debiteze la o impendan foarte mic; n acest caz n circuit apar situaii n care valoarea de vrf a curentului poate depi de cteva ori valoarea curentului prin sarcin, ceea ce poate duce la

scurtarea duratei de via a tranzistorului. - aceste vrfuri de curent au influene duntoare asupra blocurilor dinaintea stabilizatorului -redresorul i/sau alimentatorul de reea (transformatorul)- constituind o surs puternic de interferene care se transmit i n blocurile electronice alimentate. - existena vrfurilor de curent diminueaz randamentul sursei de alimentare. Astfel avnd n vedere cele de mai sus, este necesar ca n stabilizatoarele de tensiune n comutaie, dioda D s aib

un timp de revenire invers ct mai mic.


21 | P a g e

2.2.5 SCHEME DE PRINCIPIU Deoarece stabilizatoarele de tensiune n comutaie prezint caracteristici de stabilizare inferioare stabilizatoarelor de tensiune n regim liniar, ele se utilizeaz adesea ca preregulatoare de tensiune, avnd

randametul ridicat. Stabilizarea final a tensiunii se asigur cu stabilizatoare de teniune n regim liniar, n majoritatea

cazurilor utilizndu-se stabilizatoarele de tensiune fix (integrate monolitice). De cele mai multe ori pentru alimentarea schemelor electronice necesit mai multe tensiuni de curent continu, ajungnd pn la o varietate de tensiuni inverse sau dubl alternan. Astfel n locul montajului clasic cu un transformator i mai multe nfurri secundare, fiecare cu redresorul i circuitul de filtrare ( fig.2.14a), se poate

utiliza un transformator cu un singur secundar care furnizeaz tensiunea cea mai mare cerut de montaj, reducerea tensiunilor la valorile necesare putnd fi asigurat cu regulatoare de tensiune n comutaie (de tip cobortor) ca n

fig.2.14b.

Fig.2.14. Moduri de alimentare a unei sarcini cu tensiune de curent continu stabilizat


22 | P a g e

Stabilizatoarul de tensiune n comutaie n acest caz joac rolul unui transformator (fig2.14b), astfel, dac ntr-un stabilizator liniar intensitatea curentului de intrare este practic aceeai cu, curentul de la ieire, ntr-un stabilizator n comutaie, curentul mediu la intrare poate fi sensibil mai mic dect cel de la ieire, dac tensiunea de

la ieire este (mult) mai mic dect tensiunea de la intrare. n plus, unele tipuri de stabilizatoare n comutaie pun n

eviden posibilitatea de recuperare a energiei (flyback) acumulate la bornele unei inductanei adugarea acesteia

la tensiunea primar de alimentare astfel c e posibil s se obin o tensiune de ieire mai mare dect tensiunea la intrare. Pentru a evita reaciile nedorite ntre diversele frecvene de comutare ale stabilizatoarelor n comutaie folosite ntr-un astfel de sistem, poate fi utilizat un bloc de sincronizare a tuturor stabilizatoarelor. Circuitele integrate specializate ca regulatoare de tensiune n comutaie, dispun prin construcie de aceast posibilitate. Pentru comanda elementului comutator se folosesc dou categorii de circuite de comand: a. circuite cu oscilator de comand independent ( pilot ); b. circuite autooscilante. Practic, a doua categorie de circuite permite relizarea de scheme simple i economice. Totui prezint inconvenientul c furnizez o tensiune mai puin filtrat, deoarece ntreinerea oscilaiilor se realizeaz prin intermediul tensiunii ondulatorii de la ieire. a.) Stabilizatoare n comutaie cu oscilator independent n aceast seciune se va prezenta cteva scheme de stabilizatoare cu oscilator independent, cu ajutorul crora se realizeaz comanda elementului comutator al stabilizatorului. Circuitul stabilizator n comutaie din fig.2.15 utilizeaz un tranzistor unijonciune ca oscilator de frecven variabil, de la ieirea cruia se comand tiristorul regulator.

Fig.2.15. Stabilizator n comutaie cu tiristor


23 | P a g e

Semnalul kV0, reglabil cu poteniometrul R10, amplificat cu tranzistoarele Q1, Q2 se compar cu tensiunea de referin de 6V furnizat de dioda D3 din emitorul tranzistorului Q2. n funcie de nivelul tensiunii kV0, Q2 va

modifica frecvena de oscilaie a tranzistorului Q3 i implicit durata de conducie a tiristorului T1; n acest mod se

regleaz nivelul tensiunii V0 de ieire. Schema din figura 2.16 prezint un stabilizator de tensiune n comutaie , care furnizeaz la ieire 20V la 5A cu o stabilitate de 0,1% att la variaia sarcinii (ntre 0 i 5A ) ct i la variaia tensiunii reelei ( n domeniul 20% ).

Fig.2.16. Stabilizator n comutaie comandat prin multivibrator


24 | P a g e

Circuitul oscilator este format dintr-un multivibrator asimetric; constanta de timp de ncrcare a condesatorului C3 determin perioada de conducie a tranzistoarelor n funcie de tensiunea de eroare. Tranzistoarele T3, T5

formeaz un amplificator diferenial, care compar tensiunea la bornele divizorului R-R plasat la ieirea stabilizatorului, cu tensiunea de referin furnizat de dioda D4 alimentat de asemenea de la ieirea stabilizatorului

( punctul B ). Ieirile acestui amplificator diferenial, comand perechea de tranzistoare Q1-Q2, care constitue surse de curent pentru ncrcarea condesatoarelor C3 i C4, de care depinde perioada de conducie a tranzistoarelor T2-T4, care formeaz un etaj multivibrator astabil. Orice cretere a diferenei ntre tensiunea de ieire i tensiunea de referin are ca efect reducerea perioadei de conducie a lui T4 i prin urmare cea a tranzistorului de comutaie T1,

acionat prin intermediul etajului de comand realizat cu tranzistoarele T6 i T7. Montajul funcioneaz pe frecven fix i factor de umplere, ton/toff, variabil deoarece n momentul n care perioada de conducie a unuia din tranzistoare se mrete, concomitent a celuilalt se micoreaz n mod

corespunztor. n figura 2.17a se prezint o schem de principiu cu ajutorul creia se obin rezultate similare. n acest caz se compar, n comparatorul C, tensiunea de eroare ( = VREF kV0 ) amplificat cu amplificatorul de eroare A, cu o tensiune liniar variabil ( TLV ) de frecven fix.

Fig.2.17. Schema de principiu pentru un stabilizator n comutaie care folosete un generator TLV pentru modularea n durat a impulsului de comand a tranzistorului de comutaie (a) i formele de und corespunztoare (b).


25 | P a g e

n figura 2.17b sunt prezentate formele de und ale semnalelor la intrarea i ieirea comparatorului C. Impulsurile pozitive la ieirea comparatorului i n consecin perioadele de conducie ale tranzistorului de

comutaie vor fi cu att mai lungi cu ct tensiunea de eroare, A, va fi mai mic; n consecin n aceste intervale de

timp va rezulta o cretere a tensiunii la bornele condensatorului de ieire al filtrului L-C. b.) Stabilizatoare n comutaie autooscilante Pentru a obine astfel de montaje, soluia cea mai simpl este de a utiliza scheme de stabilizatoare n regim liniar, crora li se adaug filtrul LC, dioda D i o reacie pozitiv suficient pentru a intra n (auto) oscilaie. n figura 2.18 se prezint o astfel de schem, astfel prin linii groase se arat modoficrile fcute. n felul acesta un stabilizator liniar cu reacie simplu , la care se adaug elementele L-C i D, se transform n stabilizator de comutaie prin adugarea unui condensator de reacie C1, care transform amplificatorul de tensiune de eroare

compus din Q2-Q3 ntr-un multivibrator nesimetric.

Fig.2.18. Stabilizator n comutaie autooscilant


26 | P a g e

CAPITOLUL 3. PROTECIA STABILIZATOARELOR DE TENSIUNE Att sursele de tensiune stabilizat ct i cele nestabilizate pot constitui obiectul unor influene duntoare exercitate n principal de: suprasarcini, scurt-circuite, supra-tensiuni permanente sau n impulsuri, nclziri anormale. Pentru a li se asigura fiabilitatea i deci pentru a se evita defectarile majore n cascad, alimentatoarele stabilizate trebuie s fie prevzute cu dispozitive de protecie automat eficiente, destinate protejrii lor proprii, ct

i protejrii circuitelor pe care le alimenteaz. n general suntem tentai s ne bazm pe siguranele fuzibile pentru a proteja sursele de tensiune stabilizat. ns de obicei acestea nu asigur n mod operativ protecia , deoarece ele au o inerie mare n funcionare ceea ce de

fapt necesit metode de protecie difereniate pentru fiecare din influenele duntoare ce pot aprea n timpul

funcionrii acestora. De exemplu, pentru a evidenia aceast inerie a influenelor dunatoare menionate mai sus, se ia cazul unui tranzistor; care la nclzirea, respectiv strpungerea sa prin ambalare termic, antreneaz distrugerea succesiv a

componentelor propriului circuit ( n general rezistoare ), apoi a elementului regulator, apoi a redresorului, apoi a

sursei de curent i n final a siguranei fuzibile. Oricare ar fi metoda de protecie utilizat, aceasta trebuie s fi e aleas astfel nct s nu perturbe funcionarea stabilizatorului, sau s-i nrutesc performanele. 3.1 SUPRASARCINI POSIBILE n funcionarea alimentatoarelor stabilizate pot aprea regimuri de suprasarcini sau dfe scurtcircuit accidentale, care n majoritatea cazurilor conduc la defectarea stabilizatorului. Regimul de supracurent se manifest n urmtoarele situaii: - n scurtcircuit, caz n care curentul nu este limitat dect prin rezistena intern a sursei i prin rezistena firelor de conexiune, - la suprasarcin, cnd fr s ating valoarea critic ntr-un inteval de timp scurt , intensitatea depete net valoarea sa nominal. Dac acest regim se manifest pe o durat mai mare de timp pot fi defectate unele pri

componente ale circuitului ca de exemplu componentele semiconductoare, izolaia conductoarelor ( n special

bobinajul transformatoarelor ). Regimul de supratensiune poate aprea n urma unor procese tranzitorii care se produc, n alimentatorul stabilizat i anume: - la scurtcircuitarea la mas a ieirii stabilizatorului, n acest caz ntreaga tensiune de intrare se aplic elementului regulator, - la conectarea la reea a alimentatorului n cazul n care conine o capacitate pe ieire; cazul se reduce la cel anterior, - la variaia brusc a sarcinii; acest regim este mai periculos n cazul circuitelor cu inductane. 1. Dispozitive cu aciune rapid pentru protejare contra scurtcircuitelor; ele trebuie s acioneze rapid pentru a se evita distrugerea componentelor stabilizatorului sau a circuitelor de sarcin. Aceste circuite nu trebuie s se

declaneze accidental, de exemplu la apariia unor supraintensiti de foarte scurt durat ( n general la punerea

sub tensiune a stabilizatorului ). Rolul acestui mijloc de protecie poate fi ndeplinit de sigurane fuzibile rapide sau ultrarapide, de relee de protecie electromagnetice, sau de mijloace de protecie electronice.


27 | P a g e

2. Dispozitive temporizatoare, care s ntrerup circuitul numai n cazul unei suprasarcini prelungite. Rolul acestor dispozitive poate fi ndeplinit de sigurane fuzibile normale, sau relee de protecie termice. 3. Dispozitive de protecie la supratensiuni, care pot fi n general electronice. 3.2 PROTECIA LA SUPRASARCIN 3.2.1 LIMITAREA CURENTULUI DE SCURTCIRCUIT O serie de stabilizatoare de tensiune, sunt autoprotejate prin construcie n cazul n care elementul serie este supradimensionat pentru a disipa o putere suficient. n continuare vom analiza cteva exemple, care vor scoate n eviden acest tip de protecie. Cu ajutorul montajului din figura 3.1 curentul de scurt circuit devine practic nul. n acest caz, curentul de baz al tranzistorului Q1, n configuraie de generator de curent, este furnizat prin intermediul tranzistorului de protecie

Q2, normal saturat. n caz de scurtcircuit dioda cu germaniu D2 devine conductoare i curentul de baz al lui Q2 este

trecut la mas, blocndu-l; prin aceasta se blochez i tranzistorul Q1.

Fig.3.1. Stabilizator autoprotejat.


28 | P a g e

Stabilizatorul tip serie din figura 3.2 are sursa de referin alimentat cu tensiunea stabilizat ( montaj n aval ). n acest caz, la scurtcircuit la ieire, sursa de referin scade la zero, curentul de scurtcircuit al mintajului fiind limitat

prin rezistena R1 de pornire la punerea n funciune.

Fig.3.2. Protejarea stabilizatorului prin cderea referinei la zero. Cea mai simpl metod de protejare a unui stabilizator de tensiune care acioneaz prin limitarea curentului prin elementul regulator rezult din figura 3.3

Fig.3.3. Schema de limitare automat a curentului de scurtcircuit.


29 | P a g e

Atta timp ct cderea de tensiune la bornele rezistenei Rsc este mai mic dect tensiunea de deschidere a jonciunii emitor-baz a tranzistorului Q2, acesta este blocat i elementul regulator serie Q1, funcioneaz normal. Rezistorul Rsc gsindu-se n interiorul buclei de reacie a stabilizatorului de tensiune, cderea de tensiune la bornele lui este compensat i nu influeneaz dect n foarte mic msur rezistena dinamic de ieire. n cazul n care curentul prin Rsc crete pn la o valoare care produce la bornele sale o cdere de tensiune de ordinul:

VBE = 0,6......0,7 V tranzistorul Q2 va conduce i va conduce spre sarcin o parte din curentul de baz al tranzistorului Q1. Se va stabili

un echilibru astfel c mrimea curentului debitat n sarcin va rmne aproximativ egal cu:

Isc = VBE/Rsc0,65/Rsc Curba V0 = f(I0) a acestui circuit, este asemntoare cu caracteristica tensiune-curent a unui alimentator stabilizat, cu o caracteristic rectangular. Funcionarea stabilizatorului de tensiune n regim de limitare n curent este mai puin eficient dect funcionarea unui stabilizator de curent: astfel c un stabilizator de tensiune protejat

la un curent de aproximativ 1A, prezint n zona de funcionare n regim de limitare n curent, o rezisten dinamic

de aproximativ 100 valoare care este de cteva sute de ori mai mic dect mrimea obinut n cazul unui stabilizator de curent , pentru aceeai intensitate de curent. Folosind schema din figura 3.3 exist dou modaliti de realizare a proteciei prin limitarea curentului: - prin realizarea unui stabilizator de tensiune cu mai multe game de limitare (figura 3.4a). Pentru aceasta va fi suficient s se comute diferite valori ale rezistenei Rsc,

Fig.3.4. Scheme de planificare a curentului de scurtcircuit. - s regleze mai precis curentul de limitare (figura 3.4b), prin modificarea tensiunii bazei tranzistorului Q2 cu ajutorul poteniometrului PSC de reglare fin, montat n paralel cu rezistorul RSC; aceast metod nefiind indicat dect

pentru variaii mici ale curentului Isc, deoarece n caz contrar, necesit o cdere de tensiune relativ mare la bornele

rezistenei RSC n special n cazul unor cureni mai importani prin sarcin. O variant a montajului din figura 3.3 mai utila i la ndemna utilizatorului este ilustrat in figura 3.5. n acest caz, dioda luminiscent (LED) dispus n serie cu, colectorul tranzistorului Q2 constituie un mijloc de semnalizare a

supracurentului.


30 | P a g e

Fig.3.5. Utilizarea unei diode LED pentru semnalizarea curentului de scurtcircuit. n locul diodei electroluminiscente poate fi introdus un optocuplor care comand un releu temporizator prevzut s ntrerup alimentarea stabilizatorului n caz de suprasarcin, sau n caz de scurtcircuit prelungit; n figura 3.6 se prezint schema electric a proteciei realizat conform acestui principiu. n caz de sarcin prelungit ( care depete o durat prestabilit cu un circuit de ntrziere, releul Rel va decupla la comanda optocuplorului OC,

acionat de curentul de colector al tranzistorului Q2. Dup nlturarea avariei, stabilizatorul se repune n funciune prin apsarea ntrerupatorului de rearmare al releului.

Fig.3.6. Circuit de protecie prin deconectarea alimentrii n caz de suprasarcin prelungit. Circuitele de limitare a curentului prin caracteristica rectangular prezint interes pentru realizarea de surse de tensiune reglabile de laborator, la care, att randamentul , ct i gabaritul nu sunt eseniale. n cazul blocurilor de

alimentare al diverselor echipamente i n special n cazul circuitelor integrate monolitice stabilizatoare, la care

disipaia termic este un factor determinant al calitii lor, principiile de proiectare a proteciei vor fi altele.

Dezavantajul principal al metodei de limitare descris rezid n faptul c n caz de scurtcircuit la ieire, elementul

regulator nu numai c este parcurs de un curent important dar la bornele lui se gsete aplicat ntreaga tensiune de alimentare. De aici rezult c: - tranzistorul serie trebuie s fie supradimensionat pentru a suporta cele dou situaii limit menionate,


31 | P a g e

- radiatorul pe care este dispus tranzistorul serie, de asemenea trebuie supradimensionat pentru a nu favoriza strpungerea prin ambalare termic la suprasarcin prelungit. Pentru evitarea acestor inconeveniente, s-a impus un alt mod de limitare a curentului la ieire la scurtcircuit, stfel nct s foreze reducerea acestui curent (Isc) comparativ cu valoarea de declanare a procesului de limitare

(Iom). Astfel s-a realizat aa-numita protecie prin ntoarcerea caracteristicii (Fold-back). Schema de principiu a montajului utilizat n acest scop este prezentat n figura 3.7

Fig.3.7. Circuit de limitare prin ntoarcere a curentului de ieire. Definind n raport cu punctul de mas potenialele Vx, VB, V0, se poate scrie urmtoarele:

VB = 21+2

Vx = RSCI0 + V0 Prin combinarea acestor relaii se poate determina tensiunea baz-emitor a tranzistorului Q2:

VBE(Q2) = VB V0 sau

VBE(Q2) = 21+2

0 11+2

0 Din relaia anterioar se calculeaz expresia curentului de cot, Icot = I0M, adic mrimea curentului la care ncepe s acioneze protecia:

I0M = 12

0 + 1+22

VBE(Q2)


32 | P a g e

i curentul de scurtcircuit ( pentru V0 = 0 )

ISC = 1+22

(2)

Dup cum se observ ISC


33 | P a g e

3.2.2. PROTECIA PRIN RELEE O alt metod de protecie a stabilizatorului de tensiune la scurtcircuit const n ntreruperea tensiunii aplicate stabilizatorului n momentul n care la ieirea acestuia apar suprasarcini periculoase. n acest caz se utilizeaz dou

tipuri de circuite de protecie, pe care convenional le putem numi relee de protecie cu dispozitive semiconductoare

i anume: cu armare automat dup dispariia suprasarcinii i cu rearmare manual. a) Relee semicoductoare cu rearmare automat n figura 3.9 tranzistorul Q5 este normal blocat , iar elementul regulator serie, constituit din Q1-Q2 n configuraie Darlington, primete curentul n baz prin intermediul rezistorului R1. Dac apare o suprasarcin ,

tensiunea de ieire cade sub o valoare critic i tranzistorul Q4 nu va mai primi pe baz sa un curent suficient pentru

a menine tranzistorul Q5 blocat; n acest caz o fraciune din curentul de baz al lui Q2, cu att mai mare, cu ct tensiunea de ieire va fi mai mic ( cu ct suprasarcina este mai mare ) va fi deviat prin Q5; n caz de scurtcircuit Q5

va fi saturat i Q1-Q2 vor fi blocate.

Fig.3.9. Protecie la suprasarcin cu revenire automat la starea de funcionare normal dup nlturarea defectului. Odat cu dispariia scurtcircuitului montajul se va rearma automat prin curentul din R5-R6-R7 i R. n montajul din figura 2.10 cderea de tensiunii de ieire (n urma unei suprasarcini sau scurtcircuit) sub valoarea tensiunii Vz a diodei D1 plus tensiunea VBE a tranzistorului Q2, acest tranzistor va intra n conducie i va

devia spre ieire curentul de baz al tranzistorului serie Q1, alimentat n baz, prin R1. Astfel Q1 se va bloca. Rolul

condensatorului C1 este de accelera procesul de blocare a lui Q1 n caz de scurtcircuit i de a temporiza desaturarea

lui Q2 dup dispariia scutcircuitului. Cnd C1 este ncrcat , circuitul de protecie se elimin de la sine i stabilizatorul va funciona n regim normal.


34 | P a g e

Fgi.3.10. Montaj de protecie cu rearmare automat. Un alt tip de protecie care se conecteaz n serie cu stabilizatorul este acel circuit de protecie tip fuzibil electronic din figura 3.11. n procesul de funcionare normal, tranzistorul Q1 este meninut n stare saturat prin curentul de baz pe care-l primete prin intermediul rezistorului R1 i tensiunea la bornele lui este foarte mic. n acest timp, tranzistorul Q2 este blocat .

Fig.3.11. Circuit de protecie tip fuzibil. Cnd intensitatea curentului n sarcin crete, tensiunea VCE a lui Q1 va crete corespunztor, pn n momentul cnd curentul de sarcin va atinge o valoare suficient pentru ca Q2 s intre n conducie i s scurtcircuiteze jonciunea BE a lui Q1, blcndu-l. Aceast stare se menine pn cnd se elimin scurtcircuitul, dup care montajul n mod automat va reveni n starea iniial de funcionare.


35 | P a g e

b) Relee semiconductoare cu rearmare manual n montajele la care revenirea la starea iniial a circuitului de protecie se face automat, curentul de ieire nu se ntrerupe ci este redus pn la o valoare suficient de mic pentru a nu fi periculoas pentru alimentator,

stabilizator i sarcin, evitnd n felul acesta defetrile n cascad. Categoria de circuite prezentate n continuare ntrerupe complet curentul de ieire, necesitnd o rearmare dup eliminarea defectului. Prin examinarea montajului din figura 3.9 se poate constata c este suficient s se ntrerup circuitul serie al rezistorului R, prin introducerea unui ntreruptor, astfel ca montajul s treac n categoria montajelor cu rearmare

manual. n exemplul din figura 3.12, pentru asigurarea funciei propuse se folosete un circuit bistabil, realizat cu tranzistoarele T2 T3.

Fig.3.12. Circuit de protecie cu rearmare manual, realizat cu un bistabil. Prin prezena condensatorului C1, de fiecare dat, la punerea montajului n funciune, T3 va fi n conducie i T2 blocat. Tranzistorul T4 vegheaz tensiunea la bornele rezistenei unt RSC i va intra n conducie cnd aceast tensiune devine egal cu tensiunea lui baz-emiter. n acest caz, el va provoca bascularea bistabilului n starea T2 saturat, ceea ce va avea ca efect blocarea tranzistorului serie T1. Atunci cnd se nltur cauza de defectare, este suficient s se pun baza tranzistorului T2 la mas prin intermediul butonului rearmare pentru ca bistabilul s basculeze n poziia iniial, de funcionare normal (T2

blocat, T3 saturat, T4 blocat). n figura 3.13, se prezint un circuit de protecie cu rearmare manual, realizat cu optocuplorul OC. n acest caz, suprasarcina la ieire se supravegheaz prin intermediul diodei luminiscente a optocuplorului, care la suprasarcin

mritp va aciona prin intermediul tranzistorului T3 asupra unui releu rapid pentru a decupla sursa de tensiune. Aceast schem are tendina de a declana la punerea n funciune pe o sarcin capacitativ. Pentru a evita declanrile nedorite, se utilizeaz schema electric din figura 3.14, cu ajutorul creia se reduce


36 | P a g e

Fig.3.13. Circuit de protecie cu rearmare manual, realizat cu optocuplor. viteza de apariie a tensiunii la ieirea stabilizatorului cnd la intrarea lui se aplic brusc tensiunea de alimentare. n

acest caz, la punerea stabilizatorului sub tensiune, la ieirea tranzistorului Q1 apare tensiune i condensatorul C1 se

ncarc prin rezitoroul R1 i prin jonciunea emitor-baz a lui Q2.

Fig.3.14. Montaj pentru eliminarea posibilitii de declanare accidental a proteciei


37 | P a g e

Acest tranzistor va intra aproape imediat n conducie, ceea ce face s limiteze curentul de baz al lui Q1 i astfel curentul su de de emitor (curentul de sarcin) . Pe msur ns ce tensiunea la bornele lui C1 crete, curentul

prin acest condensator scade i n consecin scade i curentul de baz al lui Q2, ceea ce face ca acest tranzistor s

pun la mas un curent din ce n ce mai mic din curentul de baz al lui Q1 astfel c tensiunea la ieire V0 va crete exponenial, aa cum se arat n figur. 3.3 PROTECIA LA SUPRATENSIUNI n alimentatoarele stabilizate, numeroase cauze pot provoca la ieire tensiuni mult mai mari dect cele normale, ceea ce are ca efect consecine duntoare pentru sarcin. Cauzele care conduc la apariia de supratensiuni la ieirea unui stabilizator pot fi multiple; cteva din acestea ar fi: - scurtcircuitarea tranzistorului regulator (tranzistorul de comutaie n cazul stabilizatoarelor n comutaie), - defectarea unor componente din circuitul de reacie: ntreruperea rezistorului din divizorul de tensiune la ieire sau defectarea amplificatorului de eroare, - defectarea sursei de referin a crei mrime poate s creasc brusc pn la valoarea tensiunii de intrare. Circuitul utilizat pentru detectarea i protejarea sarcinii stabilizatorului contra supratensiunilor este reprezentat n figura 3.15. n acest caz, detectorul de supratensiune comand tiristorul T, pentru a scurtcircuita alimentarea.

Aceasta duce fie la punerea n funciune a circuitului limitator de curent al stabilizatorului, fie la declanarea releului de protecie, fie la arderea siguranei fuzibile dup caz.

Fig.3.15. Schema de principiu a circuitului de protecie a sarcinii stabilizatorului la supratensiuni. n figura 3.16a se prezint o schem simpl de protecie la supratensiune a unui stabilizator; considernd c acesta alimenteaz un montaj de circuite TTL, caracterizat prin: - tensiunea nominal de alimentare: 5V; - condiiile normale de alimentare: 4,75 V.....5,25 V; - tensiunea maxim de alimentare (valoare limit absolut): 7V, va trebui ca alimentatorul stabilizat de 5V s fie prevzut cu un circuit detector, care s acioneze dispozitivului de protecie la depirea unei tensiunui de prag

prestabilite. n figura 3.16b se prezint grafic modul n care evolueaz n timp circuitul de protecie din figura 3.16a la supratensiuneastfel aciunea de protecie se produce ntr-un timp foarte scurt.


38 | P a g e

Fig.3.16. Circuite de protecie a unui stabilizator la supratensiuni: a) schema de principiu; b) evoluia n timp a procesului de protecie la supratensiune.


39 | P a g e

3.4 PROTECIA LA REDUCEREA TENSIUNII Tensiunea la bornele bateriilor de acumulatoare, care alimenteaz o anumit categorii de module electronice, nu trebuie s scad sub o anumit valoare. Pentru aceasta este indicat ca aceste module s dispun de circuite

capabile s ntrerup curentul i eventual s acioneze o alarm n caz de scdere anormal a tensiunii. n figura 3.17 se prezint un montaj care permite ntreruperea alimentrii cnd tensiunea scade sub o anumit mrime care depinde de tensiunea Vz a diodei Zener Z i de poziia cursorului poteniometrului P. Atta timp ct tensiunea de alimentare este mai mare dect mrimea de referin, dioda Zener permite trecerea unui curent suficient pentru a satura tranzistoarele Q1, Q2. Cnd tensiunea de supravegheat, Vi, se micoreaz sub valoarea de referin, dioda Zener nu mai conduce provocnd blocarea tranzistoarelor Q1, Q2. Condensatorul C1 se folosete pentru pornirea montajului, furniznd

curentul de baz pentru Q1 la apariia tensiunii Vi.

Fig.3.17. Circuit de protecie la scderea tensiunii de alimentare. n concluzie stabilizatorul constituie una din verigile importante ale lanului de alimentare electric a aparaturii electronice n general.


40 | P a g e

BIBLIOGRAFIE: - Practical Switching Power Supply Design ........................ M.Brown (1990) - Electrical Circuit Theory and Technology_2Edition....................... J. Bird (2001) - Battery Reference Book................................................... T. R. Crompton (2000) - Manualul inginerului electronist......................Prof. dr. doc. Ing.Edmond Nicolau- Editura Tehnic (1979)

ebook-01-2D-highres01.pdfSTABILIZATOARE DE TENSIUNE.pdf

Stabilizatoare de Tensiune

Documents

Transcript of Stabilizatoare de Tensiune