Blocul stabilizatorul

Blocul stabilizatorul

1 Stabilizatorul

Pentru a functiona corect aparatura electronica necesita tensiuni de alimentare continue.

Tensiunea obtinuta la iesirea unui redresor cu filtru are, pe langa componenta continua, dependenta de tensiunea retelei si o componenta variabila, ondulatiile. In plus, aceasta tensiune scade mult cu cresterea curentului de sarcina (caracteristica externa cazatoare) si este dependenta de temperatura.  

Stabilizatorul de tensiune ideal este un circuit care asigura la iesire o tensiune independenta de tensiunea de intrare, de curentul de sarcina si de temperatura.

Stabilizatorul de tensiune real nu poate realiza o independenta totala a tensiunii de iesire de factorii mentionati mai sus, dar le micsoreaza dependenta.

Stabilizatorul de tensiune, impreuna cu redresorul si filtrul formeaza o sursa de tensiune stabilizata.

2 Tipuri de stabilizatoare

Ø        Dupa principiul de functionare stabilizatoarele de tensiune se impart in:
    - stabilizatoare parametrice;
    - stabilizatoare cu reactie;
    - stabilizatoare in regim de comutatie.

Stabilizatorul parametric are structura cea mai simpla si isi bazeaza functionarea pe neliniaritatea caracteristicii curent - tensiune a dispozitivului electronic folosit (in general o dioda stabilizatoare).

Stabilizatoare cu reactie realizeaza functia de stabilizare printr-o reactie negativa, dispozitivele electronice folosite lucrand liniar. Acest tip de stabilizatoare sunt intr-o prima aproximatie, circuite liniare.

Stabilizatoare in regim de comutatie sunt tot stabilizatoare cu reactie, in care insa elementul regulator al tensiunii de iesire nu lucreaza liniar, ci in regim de comutatie. Creste astfel mult randamentul stabilizatorului.

Ø      Dupa cum elementul regulator al tensiunii stabilizate se afla in serie sau in derivatie cu iesirea stabilizatorului, stabilizatoarele de tensiune pot fi:
    - stabilizatoare serie;
    - stabilizatoare derivatie.

3 Stabilizator parametric cu dioda stabilizatoare

In fig. 1 Se arata schema unui stabilizator parametric cu dioda stabilizatoare, in R fiind inglobata si rezistenta de iesire (interna) a redresorului.

Figura 1 Stabilizator parametric cu dioda stabilizatoare

Functionarea schemei se bazeaza pe caracteristica neliniara a diodei stabilizatoare (fig. 2) care admite variatii relativ mari de curent la variatii mici ale tensiunii pe dioda.

a)     b)

_{Figura 2 Caracteristica curent - tensiune a unei diode stabilizatoare: a ) reala; b ) liniarizata.}

    _{Tensiunea la iesirea stabilizatorului este chiar tensiunea pe dioda, adica vO = vZ si, ca urmare, este dorit ca (pentru a pastra vO = ct) dioda sa fie alimentata cu un curent in plaja de stabilizare IZm IZM, unde IZm este determinat de iesirea din regiunea de stabilizare, iar IZM este determinat din considerente de putere IZM = PZM/VZ ). Caracteristica neliniara a diodei stabilizatoare se poate liniariza pe portiuni ca in fig. 2 b. In plaja de stabilizare se poate scrie aproximarea liniara:}

_{vZ = VZO + RziZ}

_{Rezistenta dinamica Rz a diodei stabilizatoare are un minim in jurul lui VZ = 6 V. Cu cat Rz este mai mica, cu atat variatia vz in jurul lui VZ este mai mica la o plaja iz data. Valorile nominale accesibile pentru VZ sunt accesibile de la cativa volti la zeci de volti, pentru IZ de la miliamperi la zeci de miliamperi, iar pentru Rz de la ohmi la zeci de ohmi . Sub 6V efectul de strapungere este efect Zener, iar peste 6V efectul este de multiplicare in avalansa. In modul acesta se explica si coeficientul de temperatura negativ CTZ = - 0,1%/C pentru VZ<6V si pozitiv CTZ = +0,1%/C pentru VZ > 6V, la diodele cu VZ ≈ 6V acest coeficient avand valori apropiate de zero.}

_{Daca este nevoie de tensiuni mari de stabilizare se pot lega in serie mai multe diode stabilizatoare. Acest lucru se practica si la tensiuni relativ mici, inseriind diode cu VZ 6V pentru a obtine rezistenta dinamica si coeficient de temperatura scazut. Pentru variatii mici in jurul lui VZ se pot conecta in serie una sau mai multe diode alimentate direct, solutie adoptata si la obtinerea tensiunilor de stabilizare mici, sub 1 - 2V.}

_{Un coeficient de temperatura scazut se obtine in montajul cu compensare termica din fig. 3}

_{Figura 3 Stabilizator cu diode legate in serie}

_{Compensarea are loc intre coeficientul de temperatura pozitiv al diodei D1 (se presupune VZ > 6V) si coeficientii negativi ai diodelor D2, D3, la un anumit curent reglabil prin R1. Se fabrica in aceeasi capsula astfel de diode compensate termic sub denumirea de diode de referinta.}

4 Stabilizatoare cu reactie

In stabilizatoarele electronice cu reactie efectul de stabilizare a tensiunii de iesire este realizat printr-o reactie negativa (Fig. 8.5.). Tensiunea de iesire este esantionata cu circuitul de esantionare E si este comparata in circuitul de comparare C cu o tensiune data de sursa de referinta R. Semnalul de eroare produs de C este amplificat in A si aplicat elementului de control EC. Astfel, in stabilizatoarele de tip serie (fig. 4 a.) cresterea tensiunii de iesire (datorita cresterii tensiunii de intrare sau scaderii curentului de sarcina) produce o scadere a curentului in elementul de control, de obicei un tranzistor, deci o crestere a tensiunii pe acesta, care reduce din cresterea initiala a tensiunii de iesire.

La stabilizatoarele de tip derivatie (fig. 4 b.) semnalul de eroare produce cresterea curentului in elementul de control, deci tensiunea creste pe rezistenta serie R si se reduce cresterea initiala a tensiunii de iesire. Elementul de control serie suporta intreg curentul de sarcina, iar cel derivatie, intreaga tensiune de la iesire. Datorita pierderii de tensiune pe rezistenta serie R, stabilizatoarele derivatie au eficienta mai mica decat cele serie. Acestea din urma insa necesita circuite de protectie la suprasarcina si scurtcircuit a elementului de control.

a)                                                                       b)

Fig. 4 Schema bloc a unui stabilizator cu reactie: a ) tip serie, b ) tip derivatie.

5 Stabilizatoare de tensiune in regim de comutatie

Schema principiala a stabilizatorului care lucreaza in comutatie, prezentata in Fig. 5 contine doua parti de baza: convertorul CC - CC avand posibilitatea de comanda externa si circuitul de comanda si control.

Pentru ca tensiunea de la iesire sa fie mentinuta constanta, circuitul de comanda compara tensiunea de iesire cu o tensiune de referinta si, in functie de eroarea rezultata, modifica raportul de conductie al convertorului CC - CC.

Fig. 5 Schema principiala a stabilizatorului in comutatie

Exista mai multe posibilitati de modificare a raportului de conductie in vederea modificarii componentei continue a tensiunii de la iesire. Metoda cea mai utilizata este cea a modulatiei in durata care poate mentine spectrul de armonici ale tensiunii de la iesire intr-o relatie stransa cu celelalte frecvente ale sistemului alimentat de sursa respectiva, permitand si o filtrare mai buna. Schema bloc a unui stabilizator care functioneaza in regim de comutatie este prezentata in fig. 6

Fig. 6 Schema bloc a stabilizatorului de tensiune continua in regim de comutatie.

6 Stabilizatoare de tensiune integrate din prima generatie

Primele tipuri de stabilizatoare monolitice, ca de exemplu A723, LM 304 si LM305 sunt incluse in generatia intai de stabilizatoare. Caracteristica lor comuna consta in faptul ca permit accesul utilizatorului la intrarile si iesirile tuturor blocurilor functionale. Aceste stabilizatoare sunt livrate in capsule cu mai mult de trei terminale, furnizeaza un curent de sarcina mic (zeci de mA) si permit utilizarea lor in mai multe variante:

. surse stabilizate de tensiune pozitiva sau negativa, cu nivel de tensiune programabil in limite mari;

. surse cu domeniu extins al curentilor de sarcina;

. surse cu posibilitatea limitarii curentului de sarcina;

. surse in comutatie;

. generatoare de curent constant.

In fig.8.7 se prezinta schema bloc si configuratia terminalelor pentru stabilizatorul monolitic βA723 (A723). Se fabrica in doua variante: βA723 simplu, fara nici un sufix si βA723C, la care apare sufixul C. Deosebirea dintre cele doua tipuri de circuite consta in valoarea maxima a tensiunii de intrare nestabilizate care se poate aplica la intrarea lor, UI. Astfel:

. la βA723 UI,max=40V

. la βA723C UI,max=30V

Aceste circuite se folosesc la realizarea unor stabilizatoare cu reactie, cu element de reglare serie si asigura o tensiune de iesire reglabila intre:

. 2 si 37V la βA723;

. 2 si 27V la βA723C.

Gama tensiunii de intrare este:

. la βA723 UI=9,5 ?40V;

. la βA723C UI=9,5 ?30V.

Diferenta de tensiune dintre intrare si iesire are valoarea:

. la βA723 Uo-UI=3 ?38V;

. la βA723C Uo-UI=3 ?28V.

Tensiunea de referinta, disponibila la pinul 6, are o toleranta de aproximativ 5% si este:

. UREF=6,8 ?7,6V, tipic 7,15V

Ambele tipuri de circuite asigura un curent maxim de sarcina egal cu 150mA (printranzistorul intern T15). Pentru cresterea valorii curentului de sarcina se utilizeaza tranzistoare externe in conexiune Darlington.

Fig. 7 Stabilizatorul monolitic bA72 a) Structura interna. b) Configuratia pinilor.

Tranzistorul de protectie (intern) T16 poate fi conectat fie pentru a asigura o caracteristica de protectie rectangulara, fie o caracteristica de limitare prin intoarcere. Terminalul CL (Current Limit) se numeste terminal de limitare a curentului, iar terminalul CS (Current Sense), terminal de sesizare a curentului.

Intre borna COMP si IN- se conecteaza un condensator cu valoarea cuprinsa intre 100pF si 520nF pentru a evita intrarea in oscilatie a amplificatorului de eroare. Cu cat valoarea curentului de sarcina este mai mare trebuie sa creasca si valoarea capacitatii de compensare.

Sursa pentru tensiunea de referinta a fost descrisa in Capitolul 3, paragraful 2. Sursa produce o tensiune de referinta cu valoarea tipica de 7,15V, care poate fi coborata pana la 2V cuun divizor rezistiv conectat in exterior intre borna UREF si masa. Curentul maxim admis din

borna UREF este de 15mA, tipic 1mA.

Amplificatorul de eroare este de tipul unui etaj diferential care are o amplificare de 60dB si permite aplicarea la intrarea sa a unei tensiuni diferentiale de maximum 5V.

Conform datelor de catalog [8, p75] cu ajutorul acestui stabilizator monolitic se poate realiza una din urmatoarele configuratii:

. stabilizator de tensiune scazuta (Uo=27V);

. stabilizator de tensiune mare [Uo=727 (37)V];

. stabilizator de tensiune pozitiva cu tranzistor extern pnp;

. stabilizator de tensiune pozitiva cu tranzistor extern npn;

. stabilizator de tensiune negativa;

. stabilizator de tensiune in regim flotant;

. stabilizator de tensiune in regim de comutatie;

. stabilizator de tensiune comandat;

. stabilizator de tensiune paralel.

7 Stabilizatoare de tensiune integrate din generatia a doua

Stabilizatoarele de tensiune din generatia a doua, comparativ cu cele din prima generatie, ofera performante electrice superioare. Stabilizatoarele din generatia a doua sunt CI de putere putand debita puteri de 10100W si sunt livrate in capsule cu trei terminale ca si tranzistoarele de putere (TO-3 sau TO-5). Se pot monta pe radiatoare.

Aceste stabilizatoare ofera urmatoarele avantaje:

. schemele de protectie sunt integrate;

. reteaua de compensare in frecventa este integrata pe cip;

. in schemele aplicative necesita putine componente;

. furnizeaza la iesire curenti de ordinul amperilor.

Tipurile reprezentative sunt:

. pentru tensiuni pozitive: LM338 (TO-3, 5A), LM350 (TO-3, 3A) si LM317

. pentru tensiuni negative: LM337.

In Fig. 8 se prezinta un stabilizator de tensiune pozitiva, de tip flotant, realizat cu CI LM317. Tensiunea stabilizata este reglabila intre 1,2 si 37V, curentul maxim de sarcina fiind de 1,5A Circuitul poate fi considerat ca fiind constituit dintr-o dioda Zener de 1,2V, polarizata cu un curent constant IAJ=50A, conectata la intrarea neinversoare a unui AO cu o amplificare de 80dB, care comanda tranzistorul regulator T.

8 Stabilizatoare de tensiune fixa

Stabilizatoarele de tensiune fixa s-au proiectat in ideea unei stabilizari locale a tensiunii de alimentare pe modulelel cu circuite integrate. Aceste stabilizatoare prezinta avantajul simplitatii maxime de utilizare deoarece nu necesita componente externe. De asemenea sunt avantajoase din punct de vedere al raportului cost-performanta. Capsulele sunt prevazute doar cu

trei terminale, existand posibilitatea montarii lor pe radiator.

Stabilizatoarele de tensiune fixa au urmatoarele caracteristici generale:

. tensiunea de iesire, fixata intern, se garanteaza cu o precizie de 5%;

. limita curentului maxim de iesire, fixata intern prin circuitul de protectie la suprasarcina, este, in general, independent de temperatura;

. stabilizatoarele contin un circuit de mentinere a functionarii tranzistorului serie in aria de siguranta;

. circuitul de protectie intern asigura imunitate la scurtcircuitarea iesirii la masa pe o durata nedefinita.

Nivelul de performanta a stabilizatoarelor de tensiune fixa este inferior celor de uz general din generatia a doua.

Tipurile reprezentative de stabilizatoare de tensiune fixa sunt:

a) stabilizatoare de tensiune pozitiva:

. LM323 (TO3 - 3A) si LM309 (TO3 - 1,5A), cu tensiunea de iesire de 5V;

. seria L78XX (TO3 - 1,5A, TO202 - 0,5A), cu tensiunile de iesire de: 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18 si 24V. Grupul XX se inlocuieste cu 05, 06, , 24;

b) stabilizatoare de tensiune negativa:

. LM345 (TO3 - 3A) cu tensiunea de iesire egala cu -5V;

. seria L79XX (TO3 - 1,5A, TO202 - 0,5A), cu tensiunile de iesire de: -5, -6, -8, -9, -12, -15 si -24V. Grupul XX se inlocuieste cu 05, 06, , 24.

In fig. 9 se prezinta modul de conectare in circuit a unui stabilizator de tensiune fixa, pozitiva.

Se remarca legarea tuturor conexiunilor de masa intr-un singur nod (la terminalul M al circuitului integrat). In acest fel se evita aparitia unor curenti prin bucla de masa (curenti intre puncte de masa diferite).

Cand stabilizatorul integrat se plaseaza la o distanta mai mare de 5cm fata de filtrul redresorului (fenomen ce se intalneste frecvent), trebuie sa se conecteze la intrare condensatorul CI.

Cuplarea le iesire a condensatorului CO, necesar la stabilizatoarele de tensiune negativa din motive de compensare in frecventa, reduce impedanta de iesire la frecvente mari, unde amplificarea in bucla deschisa a amplificatorului de eroare incepe sa scada.

In montajul realizat am utilizat un stabilizator de teniune fix de 12 V , L7812 care o tensiune de intrare maxima de 50V , un curent maxim de 1,5 A si o plaja a variatiei temperaturii foate intinsa -55^oC - + 150^o C , iar teniunea de la iesirea circuitului integrat este de 12 V c.c. stabilizat , toate aceste carcateristici reprezentand motivele pentru care am ales acest circuit stabilizator in realizarea montajului.