Dispozitive si Circuite Electronice

Stabilizator de tensiune

Se proiecteaza un stabilizator de tensiune cu urmatoarele caracteristici:

• Tensiune de intrare in intervalul:
• Tensiune de iesire reglabila in intervalul:
• Sarcina la iesire:
• Domeniul temperaturilor de functionare:
• Deriva termica:
• Protectie la suprasarcina prin limitarea temperaturii tranzistoarelor regulatoare serie la , si a curentului maxim la
• Amplificarea in tensiune minima a amplificatorului de eroare: 100

Nota: Se pot folosi numai tranzistoare bipolare si TEC-J.

2. Schema bloc functionala

Se utilizeaza o schema de stabilizator cu element regulator serie (ERS) comandat de un amplificator de eroare (AE) care compara tensiunea data de referinta de tensiune (REF) cu tensiunea preluata de la iesire prin reteaua de reactie (RR). La acesta se adauga un circuit de protectie la suprasarcina.

3. Functionarea

In general, pentru realizarea stabilizatoarelor de tensiune se folosesc proprietatile diodelor. Cel mai simplu tip de stabilizator este stabilizatorul parametric, realizat cu o dioda Zener. Dar performantele scazute nu il recomanda pentru alimentarea unor circuite complexe. Tensiunea de iesire nu poate fi reglata, ea variaza in raport cu sarcina iar curentul maxim furnizat in sarcina este relativ mic (comparabil cu curentul care trece prin dioda Zener).

De aceea s-a folosit o schema mai complexa, un stabilizator cu reactie. Referinta de tensiune pentru acesta este practic un stabilizator parametric. Dar acesta lucreaza acum pe o rezistenta de sarcina mare care nu variaza. Comanda se face deci in tensiune pe o sarcina constanta.

La o functionare normala tensiunea diferentiala la intrarea amplificatorului de eroare este practic nula. Astfel amplificatorul trebuie sa transforme comanda in tensiune in una in curent (amplificator transimpedanta). Comanda in tensiune este data de reteaua de reactie (un divizor de tensiune).

Rezultatul compararii referintei de tensiune cu ceea ce se esantioneaza din tensiunea de iesire este un curent care se aplica elementului regulator serie. Acesta va fi un tranzistor ideal pentru care curentul de colector este proportional cu cel de baza.

Daca tensiunea la iesire scade fata de valoarea de echilibru tensiunea esantionata prin reteaua de reactie va fi mai mica decat tensiunea de referinta, deci la intrarea amplificatorului de eroare apare o tensiune diferentiala pozitiva. Curentul debitat la iesire va fi mai mare decat cel normal si va comanda un curent mai mare prin elementul regulator serie. Astfel tensiunea de la iesire incepe sa creasca.

Daca tensiune la iesire tinde sa creasca fata de valoare de echilibru va aparea o tensiune diferentiala negativa ce va duce la scaderea curentului de la iesirea amplificatorul de eroare, deci la scaderea curentului prin elementul regulator serie. Astfel tensiune la iesire va incepe sa scada.

Daca temperatura elementului regulator serie creste prea mult sau curentul prin el depaseste valoarea limita circuitul de protectie preia curentul debitat de amplificatorul de eroare iar elementul regulator serie se inchide si nu mai lasa sa treaca curent.

4. Referinta de tensiune

Referinta de tensiune este formata dintr-o dioda Zener alimentata de la sursa de curent constant. Am ales o dioda de tip 1N5225. Acesta are tensiune de strapungere constanta aproximativ 3V in conditiile in care este alimentata cu un curent intre 1 si 20mA.

Ca sursa de curent se foloseste un tranzistor TEC-J de tipul BF245A. Acesta are un curent     intre 2mA si 6,5mA pentru tensiuni drena-sursa de pana la 30V. Tensiunea maxima care va fi aplicata pe el va fi de 15V.

Deci puterea maxima pe care trebuie sa fie capabil sa o disipe este de 15Vx6,5mA 97,5mW. Din catalog reiese ca el poate disipa pana la 200mW deci functionarea sa are loc in siguranta.

Curentul maxim cu care poate fi alimentata dioda Zener este de 6,5mA,deci puterea maxima pe care trebuie sa o disipe este de 3Vx6m5mA 19,5mW. Dioda se afla in domeniul normal de functionare.

5. Amplificatorul de eroare

Pentru a se atinge cerinta ca amplificarea in tensiune minima sa nu fie mai mica de 100 s-a ales o schema cu doua etaje de amplificare diferentiala in cascada si un etaj de conversie tensiune-curent.

Primul etaj diferential (J1, J2, R1, R2) este realizat cu tranzistoare TEC-J. S-a ales astfel de tranzistoare pentru a avea o incarcare minima in curent a referintei de tensiune si a retelei de reactie. Se ofera deci la intrarea amplificatorului o impedanta foarte mare. Etajul este alimentat in curent printr-o sursa de curent cu referinta tensiunea Vbe (Q6, R6, Q5).

Al doilea etaj diferential (Q3, Q4, D1, R4) este realizat cu tranzistoare bipolare pentru a avea o amplificare cat mai buna a tensiunii diferentiale. Alimentarea acestora se face din nou de la o sursa de curent cu referinta tensiunea Vbe (Q7, R7, Q5).

Convertorul tensiune-curent este un tranzistor care va lucra in conexiune emitor comun (Q8). El va avea ca sarcina elementul regulator serie.

Pentru primul etaj diferential s-au ales tranzistoare de tip BF245B. Prin acestea va trece un curent de 2mA. Pentru simplificare acelasi curent va fi impus si prin colectorul fiecarui tranzistor din cel de-al doilea etaj. Deci vom avea nevoie de doua surse de curent de 4mA.

Pentru sursele de curent folosim tranzistoare de tipul BC107. Pentru acestea Vbe=0,6V deci rezistentele din emitor vor avea valorile:

Se pot folosi rezistente cu toleranta 10%. Puterea pe care trebuie acestea sa o disipe este de maxim 18Vx4mA=72mW. Se pot folosi rezistente de putere mica (125mW), peliculare de tip RMG-1025.

Daca se neglijeaza curentii de baza pentru tranzistoarele Q5 si Q6 (posibil deoarece ) si Ic5 este tot de ordinul 5mA, vom avea:

Alegem o valoare standardizata de     cu toleranta 20%. Puterea pe care trebuie sa o disipe este de maxim 18Vx4mA=72mW. Se poate utiliza o rezistenta peliculara de putere mica (125mW) de tip RCG-1025

Rezistentele R1 si R2 trebuie sa fie egale (pentru a avea echilibru in primul etaj diferential). Vom lua     cu toleranta 10%. Puterea maxima disipata pe acestea va fi de 18Vx4mA=73mW (pentru un diferential total dezechilibrat). Este suficient deci sa alegem niste rezistente peliculare de mica putere (125mW) de tip RCG 1025.

Vom alege si tranzistoarele Q3, Q4 de tipul BC107A iar tranzistorul Q8 de tip BC177.

Caderea de tensiune pe rezistenta R4 trebuie sa fie egala cu Vbe8=0,6V. Deci, pentru un curent Ic4=2mA vom avea:

Se poate lua aceasta valoare cu toleranta 5%. Puterea disipata de aceasta din nou nu poate depasi 72mW deci este suficient o rezistenta de putere mica (125mW) de tip RMG-1025.

Dioda D1 va trebui sa suporte un curent de 4mA si sa aiba o tensiune egala cu Vbe8=0,6V. Se foloseste o dioda de tipul 1N3495, care indeplineste aceste conditii.

Mai ramane verificat functionare in conditii de siguranta a tranzistoarelor. Tinand cont ca tensiunea maxima in circuit este de 18V (tranzistoarele bipolare au Vcemax = 45 V iar cei TEC-J au Vdsmax = 30 V) si curentul maxim prin circuit este de 4mA puterea maxima ce trebuie disipata de tranzistoare este de pana la 100mW. Tranzistoarele TEC-J pot disipa 200mW iar cele bipolare pana la 300mW, deci nu exista pericolul de supradisipare.

Pentru a verifica performantele amplificatorului de eroare (transimpedanta) se urmareste variatia curentului livrat de el la variatia tensiunii esantionate de reteaua de reactie.

Simularea s-a facut pentru functionare la temperatura camerei, cu o tensiune de intrare :

Se observa o foarte buna sensibilitate a comenzii in curent in jurul unei tensiuni esantionate de 3V. Comanda in curent se face deci corespunzator,

6. Elementul regulator serie

S-a ales ca element regulator serie un tranzistor Darlington. Deoarece am considerat la punctul precedent ca vom avea comanda din baza acestuia de in jur de 5mA, pentru a indeplini conditia de proiectare de a avea curent de maxim 5A in sarcina, va trebui sa avem un . In caz de scurtcircuit la iesire tranzistorul trebuie sa suporte o tensiune Vce=18V. Puterea ce trebuie disipata pe acesta este 18Vx5A=90W.

Se alege un tranzistor TIP142. Acesta are un curent maxim de colector de 15A, amplificare in curent de minimum 1000 la 5A, tensiune Vcemax =100V, puterea disipata la     de 125W.

Aceste caracteristici, la care se adauga prezenta circuitului de protectie, ne asigura funtionarea elementului regulator serie fara pericolul supradisiparii. Pentru mai multa siguranta, se poate monta acest tranzistor pe un radiator.

7. Reteaua de reactie

Aceasta este un simplu divizor de tensiune. Tensiunea esantionata de aceasta este comparata cu tensiunea de referinta data de dioda Zener:

unde R9 si R10 modeleaza un potentiometru.

Pentru a putea regla tensiunea la iesire intre 6,25V si 9V cu un potentiometru de     (deci ) va trebui ca:

Rezulta:

(Valoare standard - nu se modifica plaja de reglaj pentru tensiunea de iesire)

Se aleg rezistente de putere mica , cu toleranta 2% de tipul RCG-1025.

8. Circuitul de protectie

Se realizeaza o protectie la supraincalzirea lui Q9 (Darlington) si la supracurent prin sarcina:

Senzorul de temperatura este tranzistorul Q11 impreuna cu elementele ajutatoare Q12, R14, R15. Senzorul de supracurent este tranzistorul Q10 impreuna cu rezistenta R13.

Cu ajutorul divizorului de tensiune format din R14, R15 se stabileste pe baza lui Q11 o tensiune de aproximativ 400 mV. La temperaturi normale aceasta tensiune impune un curent de colector practic nul. Tranzistorul Q11 se monteaza cuplat termic cu tranzistorul Q9 (elementul regulator serie). Odata cu cresterea temperaturii scade si tensiunea de deschidere a tranzistorului astfel inca, la o anumita temperatura acesta se deschide si creste curentul sau de colector.

Pentru a fixa potentialul de 400mV se aleg rezistentele:

Acestea    sunt rezistente de putere mica, de tip RCG-1025 cu tolerante 5%.

Rezistenta R13 lucreaza ca un convertor curent-tensiune. La un curent de 5A ea trebuie sa dea o cadere de tensiune de 0,6 V, cadere de tensiune ce va deschide tranzistorul Q10. De aici rezulta . Puterea pe care trebuie sa o poata disipa este de cel putin 3W. Daca se alege o toleranta de 5% (curent limita intre 4,75A si 5,25A) si o clasa de putere de 5W se poate alege o rezistenta bobinata in corp ceramic de tip RBE4005.

Daca se depaseste temperatura limita creste curentul de colector al lui Q11, daca se depaseste temperatura limita creste curentul de colector al lui Q10 ca urmare Q13 se satureaza deci tensiunea Vbe8=0 ceea ce duce la inchiderea lui Q8 si Q9. Se obtine astfel limitarea dorita.

Caderea de tensiune pe R16 il deschide pe Q13 iar R17 limiteaza curentul prin tranzistoare. Valorile de 4,7k duc la curenti maximi de 2-3mA deci nu exista pericolul distrugerii prin supraincalzire a tranzistoarelor Q10 sau Q11. Atat R16 cat si R17 pot avea tolerante 20% si pot fi de putere mica, de tipul RCG-1025.

9. Schema finala

10. Functionarea circuitului

Pentru analiza circuitului am facut urmatoarele simulari:

• Variatia tensiunii de iesire functie de variatia tensiunii de intrare:

Analiza a fost facuta pentru o tensiune de iesire stabilizata medie. Performantele sunt deosebit de bune, avand o variatie < 0,4mV/V.

• Variatia tensiunii de iesire in functie de pozitia potentiometrului modelat de rezistentele R9 si R10

Varitia este aproape liniara, ceea ce recomanda un potentiometru liniar. Pentru mai multa precizie se poate folosi un potentiometru multitura. Se poate chiar grada potentiometrul in tensiune.

• Variatia tensiunii de iesire functie de variatia temperaturii

Se observa blocarea functionarii la o temperatura de . Analiza s-a facut in situatia cea mai dezavantajoasa, pentru o tensiune de intrare maxima de 18V.

• Observarea derivei termice la temperaturi normale de functionare:

Deriva termica este mai mica de 0,001V (foarte buna). Deci stabilizatorul are o coportare foarte buna nu numai la variatia tensiunii de intrare, ci si la variatia temperaturii de lucru.

• Simularea variatiei rezistentei de sarcina pentru a vedea daca protectia la supracurent functioneaza

Se observa ca la scaderea rezistentei de sarcina curentul este limitat la 5mA. Deci nu exista pericolul ca prin punerea in scurtcircuit tranzistorul Darlington sa se supraincalzeasca si sa se distruga. Pentru simulare s-a ales situatia cea mai dezavantajoasa, cand potentiometrul forteaza o tensiune de iesire maxima iar temperatura de lucru este .

Anexa 1. Componente utilizate

In plus se foloseste un potentiometru de 5kW (R9 R10), daca se poate liniar si multitura pentru un control fin si liniar al tensiunii de iesire.

Anexa 2. Bibliografie

• D. Dascalu, L. Turic, I. Hoffman - "Circuite Electronice" - Ed. Didactica si Pedagogica - 1981
• D.D. Sandu - "Dispozitive si Circuite Electronice" - Ed. Didactica si Pedagogica - 1975

• Andrei Vladimirescu - "Spice" - Ed. Tehnica
• ORCAD RELEASE 9 QUICK REFERENCE QUIDE
• ORCAD RELEASE 9 MANUAL

• Catalog de tranzistori - BANEASA S.A.
• Bibliotecile de modele incluse in ORCAD RELEASE 9

• Notite de curs DCE I si II - prof. Marcel Profirescu
• Notite de curs CCP - prof. Alexandru Fleschiu