STABILIZATOARE DE TENSIUNE CONTINUǍ

3.1. Probleme generale

Un stabilizator de tensiune continuă, STC, este un circuit care, alimentat de la o

sursă de tensiune continuă ce prezintă variaţii ale tensiunii (sursă nestabilizată),

furnizează la ieşire o tensiune a cărei variaţie sa fie mult mai mică. El se mai numeste în

limbajul curent şi sursă stabilizată.

STC sunt foarte răspândite pentru că majoritatea circuitelor electronice trebuie

alimentate la tensiuni constante iar sursele cele mai obişnuite, redresoarele, au variaţii

mari, în primul rând pentru că tensiunea reţelei are variaţii şi în al doilea rând fiindcă la

un redresor tensiunea de ieşire scade semnificativ o dată cu creşterea curentului.

Un stabilizator se reprezintă simplificat ca un cuadripol (figura 3.1a), tensiunea

nestabilizată, UI, se aplică la intrare iar el menţine constantă tensiunea UO la ieşirea

conectată la o sarcină RS. La un stabilizator ideal tensiunea de ieşire, UO, este constantă şi

deci variaţia ei este zero (în figura 3.1b este reprezentată caracteristica de iesire tensiune-

curent ideală). În cazul real există variaţii care depind mai ales de modificarea tensiunii

de intrare, a curentului de ieşire (echivalent, a rezistenţei de sarcină) şi a temperaturii.

3.1.1. Clasificarea stabilizatoarelor

Există două clase mari de stabilizatoare:

1. Stabilizatoare liniare (sunt circuite analogice, ele fiind şi subiectul

capitolului);

2. Stabilizatoare în comutaţie.

Stabilizatoarele liniare se clasifică după câteva criterii:

a) b)

Fig. 3.1. Stabilizatorul de tensiune continuă privit ca un cuadripol (a),

caracteristica de ieşire ideală (b).

- după metoda de stabilizare:

-cu elemente neliniare (numite şi stabilizatoare parametrice), care

utilizează proprietăţile unor dispozitive electronice neliniare;

-cu , ele fiind sisteme cu care utilizează o referinţă de tensiune;

- după tipul elementelor utilizate: - cu elemente discrete;

- cu circuite integrate;

- după poziţia elementului de reglaj: - cu element de reglaj serie;

- cu element de reglaj paralel.

Mai exista stabilizatoare fixe sau reglabile, cu limitarea sau întreruperea curentului

în cazul suprasarcinii dar şi cu cu alte protecţii complexe, mai sunt surse simple, duble

sau multiple, care pot fi independente sau nu.

Stabilizatoarele în comutaţie (numite şi cu acronimul SMPS - Switched Mode

Power Supply) se clasifică şi ele după câteva criterii specifice:

- după izolarea galvanică între ieşire şi intrare:

- cu izolare;

- fără izolare;

- după numărul de ieşiri stabilizate:

- individuale;

- cu ieşiri multiple.

Mai exista variante funcţie de schema de convertor de c.c. utilizată, stabilizatoare

cu corecţie a factorului de putere, stabilizatoare cu circuite de comutaţie în regim

cvasirezonant.

O comparaţie între cele două clase poate fi urmărită în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1: Caracteristici comparative ale STC

Stabilizatoare liniare Stabilizatoare în comutaţie

Nu provoacă fenomene de

interferenţă electromagnetica

Sursă de zgomot

electromagnetic

Volum şi greutate mare Volum şi greutate mică,

radiatoare mici

Calitate mai bună a tensiunii

de ieşire

Componenta mai mare a

tensiunii alternative la ieşire

Parametrii dinamici superiori Răspuns mai lent la variaţii

rapide

Randament scăzut Randament ridicat

Calitate foarte bună a

stabilizării

Stabilizare cu performante

mai slabe

3.1.2. Parametrii principali

O sursă stabilizată are două mărimi principale:

1. Tensiunea de ieşire UO;

2. Curentul maxim de iesire IOM.

Capacitatea de stabilizare a tensiunii de ieşire a unui STC se defineşte prin trei

parametri mai importanţi. Se porneşte de la faptul că tensiunea de ieşire este influenţată

decisiv de variaţia a trei mărimi:

- tensiunea de intrare, UI;

- curentul de ieşire, IO;

- temperatura mediului, T.

UO se consideră a fi o funcţie de mărimile amintite:

UO = f (UI, IO, T). (3.1)

Variaţia tensiunii de ieşire, dUO este:

TT

UI

I

UU

U

UU O

O

O

OI

I

O dddd

; (3.2)

iar trecând la diferenţe finite şi introducând principalii parametri ai unui stabilizator se

obţine:

ΔUO = 0S

1 ΔUI + RO ΔIO + Kθ ΔT. (3.3)

Se consideră pe rând doar una dintre mărimi ca fiind variabilă şi celelalte două constante

şi se definesc principalii parametri ai unui stabilizator:

Coeficientul de stabilizare, SO (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia

tensiunii de intrare pentru IO şi T constante) :

O

I

O

IO

U

U

U

US

(3.4)

Rezistenţa de ieşire, R0 (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia

curentului de ieşire pentru UI şi T constante) :

O

O

O

OO

I

U

I

UR

(3.5)

şi care este rezistenţa internă a schemei echivalente Thevenin a stabilizatorului, formată

dintr-o sursă ideală de valoare UO în serie cu rezistenţa RO.

Coeficientul de temperatură, Kθ (care dă variaţia tensiunii de ieşire funcţie de

variaţia temperaturii mediului pentru UI şi IO constante) :

T

U

T

UK OO

(3.6)

Adeseori, pentru a aprecia raportul relativ al variaţiilor intrare-ieşire, în locul

coeficientului de stabilizare se utilizează un parametru derivat, al variaţiilor raportate,

numit factorul de stabilizare:

OO

II

UU

UUF

/

/

(3.7)

Calitatea unui stabilizator mai este definită şi prin factorul de rejecţie a variaţiei

la intrare, care stabileşte atenuarea, în decibeli, dintre variaţia periodică la intrare şi

ieşire:

O

I

U

Uk

log20 (3.8)

Un stabilizator ideal are infinite SO, k sau F iar RO şi Kθ au valoarea zero.

Se mai folosesc curent alte două mărimi prin care se reprezintă variaţiile tensiunii

de ieşire a unui stabilizator faţă de variaţiile tensiunii de intrare (care poate fi reţeaua -

line în engleză) sau ale sarcinii (load în engleză). Acestea sunt:

- stabilizare la variaţia intrării sau reţelei (line regulation)

- stabilizare la variaţia sarcinii (load regulation).

Aceste mărimi sunt utilizate mai ales pentru caracterizarea circuitelor stabilizatoare

integrate.

Uneori variaţiile sunt reprezentate procentual, ca în formulele următoare:

%100x min-max

min)la(Umax)la(U % intrare la eStabilizar OO

II

II

UU

UU (3.9)

%100 x nominal

max)la(Umin)la(U % sarcina la eStabilizar OO

O

OO

U

II (3.10)

şi cum se poate vedea în extrasul din foile de catalog ale stabilizatorului integrat LM723:

Alteori variaţiile sunt reprezentate direct:

Stabilizare la variaţia intrării = UO(la UI max) - UO(la UI min) (3.11)

Stabilizare la variaţia sarcinii = UO(la IO min) - UO(la IO max) (3.12)

şi cum se poate vedea în extrasul din foile de catalog ale stabilizatorului integrat L7805:

O altă mărime utilizată pentru a evalua calitatea unui stabilizator este componenta

alternativă suprapusă peste tensiunea de ieşire, compusă dintr-o componentă periodică

(provenită din reţea) şi alta aleatorie (zgomot), numită în literatura engleză PARD

(Periodic And Random Deviation). Aceasta se măsoară în valoare efectivă sau vârf la

vârf, pe o bandă de frecvenţă între 20 Hz – 20 MHz, cu un instrument cu largimea de

banda amintită. Fluctuaţiile mai lente sunt considerate derivă.

Alti parametri sunt densitatea de putere, care evaluează raportul dintre puterea

sursei şi volumul acesteia, plaja tensiunii de intrare permise, viteza de răspuns

tranzitoriu la o variaţie rapidă a sarcinii.

În tabelul 3.2 sunt prezentate comparativ valori ale parametrilor surselor liniare şi

în comutatie.

Tabelul 3.2: Parametrii STC, valori în zona superioară a performanţelor

Parametrul Sursă liniară Sursă în comutaţie

SO 5000 2000

R0 0,2 mΩ 1 mΩ

Componenta alternativă 0,5 mV 10 mV

Randament maxim 55% 95%

Densitate de putere 0,03 W/cm3

0,6 W/cm3

Plaja tensiunii de intrare ± 10% ± 20%

Răspuns tranzitoriu 50 µs 300 µs

3.1.3. Poziţionarea într-un sistem electronic

Într-un sistem electronic locul stabilizatorului de tensiune continuă (S-figura 3.2)

este obişnuit după un redresor (R) conectat la reţea printr-un transformator. Tensiunea de

intrare a stabilizatorului este tensiunea pe condensatorul de filtrare a redresorului, (UI ), şi

are o variaţie specifică, cvasi-triunghiulară. Variaţia este preluată de stabilizator astfel că

tensiunea dintre intrare şi ieşire, Ust, prezentată haşurat, are o variaţie similară în timp ce

tensiunea de ieşire, UO, este continuă.

O altă mărime evidenţiată în figură este curentul absorbit de stabilizator, Ist, el

fiind diferenţa dintre curentul furnizat de redresor şi cel de ieşire al stabilizatorului sau,

altfel definit, curentul de mers în gol (în engleză - quiescent current). Într-adevăr, IO este

zero (stabilizatorul nu furnizează curent, adică rezistenţa de sarcină este infinită, ieşirea în

gol) de la redresor este absorbit doar acest curent.

Fig. 3.2. Poziţia stabilizatorului şi forma tensiunilor principale.

Conectarea la reţea este prezentată simplificat în figura 3.2. În realitate un circuit

complet (prezentat în figura 3.3) are mai multe elemente, cele mai multe fiind de

protecţie

Fig. 3.3. Circuit de conectare la reţea.

Imediat după cablul de alimentare de la reţetea este o suguranţă fuzibilă. Apoi, în

paralel pe reţea, este plasat un element de protecţie la supratensiuni tranzitorii de valoare

ridicată ale reţelei (Transient Voltage Suppressor – TVS) care poate fi un varistor, celule

de seleniu sau două diode Zener conectate inversat în serie. Acesta la rândul sau poate fi

protejat cu siguranţa fuzibilă, eventual cu semnalizare.

Urmează un circuit filtru pentru interferenţă electromagnetică şi radiofrecvenţă

(Electro-Magnetic Interference/Radio Frequency Interference - EMI/RFI) pentru o

protecţie cu dublu sens: pe de o parte opreşte zgomotul din reţea, pe de alta evită ca

zgomotul sursei (semnificativ la sursele în comutaţie) sa ajungă în reţea. După filtru este

comutatorul de reţea şi un circuit RC de protecţie pentru eventuale supratensiuni

provocate de comutator şi doar apoi este primarul transformatorului de reţea şi redresorul.

De foarte multe ori sunt necesare mai multe STC cu tensiuni de valori şi polarităţi

diferite. Schema simplificată a unui astfel de circuit de alimentare cu trei tensiuni

stabilizate liniare diferite (aici + 5V; + 12V; - 12V) este prezentată în figura 3.4. Au fost

alese trei variante diferite pentru redresoarele monofazate.

Fig. 3.4. Circuit de alimentare cu trei tensiuni stabilizate.

3.2. Stabilizatoare parametrice

Stabilizatoarele parametrice utilizează direct elemente rezistive neliniare care au o

caracteristică curent-tensiune cu o zonă de tensiune aproape constantă pe o plajă relativ

largă de curenţi (rezistenţa dinamică este foarte mică). Astfel de elemente sunt joncţiunile

semiconductoare dar şi unele tuburi cu descărcare în gaz. Cel mai utilizat element este

dioda Zener.

3.2.1. Stabilizator cu diodă Zener

Schema cea mai simplă şi mai folosită este prezentată în figura 3.5.

Fig. 3.5. Stabilizator parametric cu diodă Zener.

Dioda Zener trebuie polarizată în regiunea inversă, peste punctul de străpungere,

astfel că UI trebuie să fie mai mare decât tensiunea de străpungere a diodei, UZ.

Rezistenţa R se mai numeşte rezistenţă de balast şi ea limitează curentul prin diodă la

valori nepericuloase.

Performanţele acestui stabilizator sunt modeste şi sunt date de urmatoarele relaţii:

Z

Or

RS (3.13)

ZO rR (3.14)

3.2.2. Calculul unui STC cu diodă Zener

Obişnuit pentru un stabilizator se cer:

- tensiunea de ieşire - UO

- curentul maxim de ieşire - IOM

atunci când se cunoaşte evoluţia tensiunii de intrare, UI, care variază între două valori:

- UIm –tensiunea de intrare minimă;

- UIM –tensiunea de intrare maximă

Stabilizatorul funcţionează bine atâta vreme cât dioda Zener este în zona de

stabilizare iar puterea pe diodă este sub limita permisă, adică prin diodă curentul, IZ, nu

scade sub o valoare minimă şi nu creşte peste o valoare maximă, ambele evaluate din

foile de catalog, situaţiile limită fiind prezentate în continuare.

1. Curentul prin diodă este la limita inferioară atunci când tensiunea de intrare

este la valoarea minimă iar curentul prin sarcină este maxim;

2. Curentul prin diodă este la limita superioară atunci când tensiunea de intrare

este la valoarea maximă iar curentul prin sarcină este minim;

Alegerea diodei

La alegerea diodei se va ţine cont de două lucruri:

- tensiunea Zener a diodei se va alege tensiunea de ieşire, UO;

- puterea diodei trebuie să fie mai mare cu 20 – 50% decât puterea de ieşire

maximă:

POM = UO IOM (3.15)

Ultima condiţie poate fi echivalată cu o condiţie de curenţi, şi anume curentul

maxim al diodei să fie cu 20 – 50% mai mare decât curentul maxim de ieşire. În funcţie

de datele de catalog se va utiliza una sau alta dintre ele.

Calculul R

Rezistenţa R trebuie să asigure curentul minim prin dioda Zener, IZm, în

condiţiile:

- UIm - tensiunea de intrare minimă; (3.16)

- IOM - curentul maxim de ieşire.

Curentul prin R este în aceste condiţii:

R

UUI O

R

Im = IZm + IOM (3.17)

de unde va rezulta R, care va fi o valoare maximă (fiind calculată pentru un curent

minim). Rezistenţa fizică aleasă va fi obişnuit puţin sub această valoare.

nu este precizat un curent IZm în foile de catalog acesta se alege de ordinul a

1-5% din curentul maxim.

În final se face o verificare a curentului maxim prin dioda Zener în condiţiile:

- UIM - tensiunea de intrare maximă; (3.18)

- IO =0 - curentul minim de ieşire

IZM = IRM = R

UU OIM (3.19)

se obţine un curent mai mare decât cel al diodei alese se va alege o diodă de curent

(putere) mai mare.

3.2.3. Mărirea coeficientului de stabilizare, SO

Coeficientul de stabilizare SO poate fi imbunatăţit prin mărirea rezistenţei de balast

(relaţia 3.13), dar asta are efect de micşorare a curentului maxim al stabilizatorului. El

mai poate fi mărit însă şi prin conectarea în cascadă a două celule (figura 3.6). În acest

caz coeficientul de stabilizare devine produsul coeficienţilor de stabilizare ai fiecăruia

dintre cele două stabilizatoare. Dezavantajul este că se micşorează curentul maxim

posibil dar această micşorare este mult mai mică decât în cazul în care este mărită doar

rezistenţa de balast

Fig. 3.6. Îmbunătăţirea coeficientului de stabilizare prin

conectarea în cascadă a două celule.

Pentru a micşora rezistenţa interna a unui stabilizator liniar singura soluţie este

utilizarea i (a se vedea şi relaţia 3.14).

3.3. Stabilizatoare serie cu reacţie

La stabilizatoarele cu tensiunea de iesire UO este comparată cu o tensiune fixă,

numită tensiune de referinţă, furnizata de un element referinţă de tensiune. În cazul

obişnuit referinţa este un stabilizator parametric cum sunt cele din paragraful anterior.

Calitatea referinţei decide calitatea stabilizatorului astfel că este nevoie se utilizează

referinţe de precizie.

Comparaţia este făcută în cele mai multe cazuri de un amplificator numit şi de

eroare, pentru că amplifică diferenţa celor doua tensiuni (eroarea). Tensiunea de eroare

amplificată comandă un element de control care acţionează în sensul micşorării erorii.

Dupa poziţia elementului de control faţă de sarcină se disting:

- stabilizatoare serie, la care elementul de control este în serie cu sarcina;

- stabilizatoare paralel, mai puţin utilizate, la care elementul de control este în

paralel cu sarcina.

3.3.1. Schema bloc a unui stabilizator serie cu reacţie

Schema bloc a unui stabilizator de tip serie este prezentată în figura 3.7.

Blocul referinţă de tensiune furnizează tensiunea URef. De obicei tensiunea de

ieşire nu este comparată direct cu aceasta ci este preluată printr-un traductor care

furnizează o tensiune kUO, proporţională cu tensiunea de ieşire. Traductorul este de cele

mai multe ori un simplu divizor rezistiv. Diferenţa celor doua este semnalul de eroare: UEr = kUO - URef (3.20)

care este amplificat iar rezultanta, AU(kUO-URef) este tensiunea care controlează elementul

de control serie în aşa fel încât orice tendinţă de variaţie a tensiunii la ieşire

să fie compensată.

De exemplu, o scădere a rezistenţei de sarcină provoacă prin acest mecanism o

crestere a curentului prin elementul de control şi implicit la ieşire astfel încât tensiunea de

ieşire să se menţină constantă.

Fig. 3.7. Schema bloc a unui stabilizator serie.

3.3.2. Stabilizator serie cu tranzistor

Cel mai simplu stabilizator serie cu , a cărui schemă este prezentată în figura 3.8,

utilizează un stabilizator parametric cu diodă Zener ca referinţă de tensiune şi un

tranzistor care are simultan rol de comparator şi element de control serie.

Fig. 3.8. Stabilizator serie cu diodă Zener şi tranzistor

Funcţionarea schemei poate fi apreciata printr-o analiză directă. Se vede că:

UO = URef - UBE ( 0,7V) (3.21)

unde URef se presupune constantă. Deoarece tensiunea UBE a unui tranzistor are variaţii

mici pentru un domeniu întins de curenţi se poate aprecia că:

UO constantă

Rezistenţa interna este mult mai mică faţă de stabilizatorul fără tranzistor:

ZO

rR (3.22)

unde β este factorul de amplificare în curent al tranzistorului.

Coeficientul de stabilizare SO rămâne acelaşi cu cel de la stabilizatorul cu diodă

Zener (relaţia 3.13) dar în cazul de aici rezistenţa de balast R este mult mai mare, şi la fel

SO, deoarece prin ea circulă un curent de β ori mai mic.

Calculul stabilizatorului serie cu tranzistor

Calculul acestui stabilizator este asemănător cu al stabilizatorului cu diodă Zener.

Alegerea diodei se face conform relaţiei 3.21, tensiunea diodei fiind cu aproximativ 0,7

mai mare decât tensiunea de ieşire.

Tranzistorul se alege astfel încât să suporte tensiunea maximă de intrare, curentul

maxim de ieşire şi puterea disipată maximă:

UCE0> UIM;

IC > IOM; (3.23)

PD> IOM(UIM- UO).

Calculul R se face pentru aceleaşi condiţii (3.16) şi ţine cont de faptul că prin ea

circulă curentul prin diodă plus curentul de baza al tranzistorului (

OI) şi relaţia devine

aici:

R

UUI O

R

7,0Im IZm + OMI

(3.24)

În final se face verificarea curentului maxim prin dioda Zener în condiţiile (3.18):

IZM = IRM = R

UU OIM 7,0 (3.25)

3.3.3. Stabilizator serie cu amplificator de eroare

Performantele acestei scheme sunt mult mai bune decât ale celor fără amplificator,

dar acestea pot fi îmbunătăţite foarte mult sunt utilizate elemente, blocuri sau

configuraţii cu performanţe superioare. Î vor fi prezentate în subcapitolele următoare .

Schemele de stabilizatoare serie cu şi amplificator de eroare sunt dintre cele mai

diverse. Una dintre cele mai utilizate este prezentată în figura 3.9.

Ca amplificator de eroare este utilizat un amplificator diferenţial format din

tranzistoarele T1 şi T2, care are avantajul unei sensibilităţi mici la variaţii ale tensiunii de

intrare şi a ale temperaturii. Traductorul este un divizor rezistiv format din rezistenţele R4

şi R5. Adeseori între acestea este pus un potenţiometru cu care se poate regla tensiunea de

ieşire a stabilizatorului prin modificarea constantei de divizare.

Referinţa de tensiune este un stabilizator parametric, R, DZ iar elementul de

control serie este un tranzistor.

Fig. 3.9. Stabilizator serie cu amplificator diferenţial.

3.3.5. Elementul de control

Elementul de control este, la schema serie cu reactie, un tranzistor în conexiune

CC, sarcina fiind în emitor, avantajul fiind o rezistenta de intrare mare şi o rezistenţă de

ieşire mica. În plus configuraţia suporta tensiuni mai mari şi are o mai buna stabilitate

decât varianta cu sarcina în colector. Dezavantajul este că buna funcţionare implică o

cădere de tensiune minimă de câţiva volti pe tranzistor.

Din acest motiv atunci când, mai ales la STC a căror sursă de intrare este o baterie

de tensiune joasă - şi sunt nenumarate aplicaţii de acest tip astăzi - căderea de tensiune pe

elementul de control trebuie să fie cât mai mică, se utilizează varianta cu sarcina în

colector.

La curenţi de ieşire sub 1A este de obicei suficient un singur tranzistor. La curenti

mai mari însă sunt utilizate combinaţii de tranzistoare ca element de control. Conexiunea Darlington

Conxiunea Darligton (figura 3.13a -analizată în capitolul 5) este o combinaţie de

două tranzistoare, echivalentă cu un tranzistor cu amplificarea de curent şi rezistenţa de

intrare mărite de β ori (factorului de amplificare în curent). Efectul principal este

micşorarea rezistenţei interne a stabilizatorului care depinde, la stabilizatoarele cu , atât

de amplificarea amplificatorului, care la rândul ei este proporţională cu rezistenţa de

intrare a tranzistorului serie, cât şi de factorul de amplificare al tranzistorului regulator.

a) b)

Fig. 3.13. Conxiunea Darligton.

Cele două tranzistoare disipă puteri mult diferite, fiind polarizate colector-emitor

cu tensiuni apropape egale (diferenţa este 0,7, tensiunea bază-emitor a T1) dar parcurse de

curenţi mult diferiţi deoarece:

I = β1IB1

Tranzistorul T2 are obişnuit o putere de căteva zeci de ori mai mică decât T1.

Nu este deloc neobişnuit să fie utilizate combinaţii de trei tranzistoare în

conexiune Darlington, ca în figura 3.13b.

Deoarece tranzistorul T1 functioneaza la curenti mari şi se incalzeste, curentul ICB)

poate deveni important şi poate deregla regimul dinamic la blocare, iar drept urmare

tensiunea de iesire are o supracrestere temporara. Din acest motiv tranzistoarele de putere

au atasata o rezistenta de drenare a curentului ICB0 asa cum se poate vedea în figura 3.14.

Fig. 3.14. Conectarea rezistenţei de drenare a curentului ICB0

Tranzistoare paralel

Atunci când curenţii de iesire sunt mari adeseori tranzistorul de control serie este

format din tranzistoare identice, puse în paralel, o combinaţie de astfel de doua tranzistoare (dar

ele pot fi mult mai multe) fiind prezentată în figura 3.15:

Avantajele unei astfel de combinaţii sunt un preţ mai mic faţa de un singur

tranzistor de putere mai mare şi un factor de amplificare mai mare, acesta scăzând

semnificativ o dată cu creşterea puterii tranzistorului.

Deoarece tranzistoarele pot avea diferenţe notabile între curenţii principali funcţie

de tensiunea bază-emitor (identică în cazul legarii paralel), poate apare o diferenţa

similară de incărcare (putere disipată). În acest caz unul dintre tranzistoare este mai

solicitat şi în consecinţa temperatura sa creste mai mult iar acest lucru va mări şi mai mult

curentul prin acel tranzistor ceea ce conduce la un fenomen de ambalare termica care va

dezechilibra puternic valorile curenţilor prin cele doua tranzistoare şi se poate ajunge la

distrugerea celui mai solicitat. Fenomenul este eliminat practic se utilizează rezistenţe

de egalizare, de valoare mică, conectate în serie cu emitoarele, cum se observă în figura.

Cu cât valoarea rezistenţei este mai mare, dezechilibrul se micşorează, dar o valoare mare

înseamnă mărirea căderii de tensiune pe elementul serie şi pierderi de putere. Alegerea se

face printr-un compromis, valorile curente fiind fracţiuni de ohm.

Fig. 3.15. Conectarea în paralel a două tranzistoare de putere

Tranzistoare cu sarcina în colector

La stabilizatoarele de tensiune mică, în principal la cele alimentate de la baterii,

este critică valoare căderii de tensiune pe tranzistorul de reglaj serie şi se preferă

conectarea sarcinii în colector, figura 3.16a. Se asigură în acest fel o cădere de tensiune

mică (LDO - low drop out) care poate începe de la 0,1V.

a) b)

Fig. 3.16. Elemente de control serie pentru stabilizatoare de tensiuni mici

3.5.1. Stabilizatoare în trei puncte

Stabilizatoarele în trei puncte sunt realizate în doua variante principale:

- cu tensiune de iesire fixa

- cu tensiune de iesire reglabila

si au, dupa cum le spune numele, doar trei puncte de acces: intrarea, iesirea şi fie punctul

comun, în cazul stabilizatoarelor cu tensiune de iesire fixa, fie un punct pentru reglare în

cazul stabilizatoarelor cu tensiune de iesire reglabila.

Ele se mai impart în doua categorii dupa polaritatea tensiunii, fiind:

- stabilizatoare de tensiune pozitiva

- stabilizatoare de tensiune negativa

Avantajele principale sunt simplitatea şi pretul scazut. Ele au protectie termica (la

supraincalzirea circuitului) şi la suprasarcina.

Stabilizatoare fixe în trei puncte (L78xx, L79xx)

Stabilizatoarele fixe sunt cele mai ieftine şi mai uşor de utilizat dar au

dezavantajul că tensiunea de ieşire este doar de anumite valori şi care nici nu pot fi

reglate cu precizie.

Cele mai folosite familii de circuite stabilizatoare fixe în trei puncte sunt L78xx,

stabilizatoare de tensiune pozitiva şi L79xx, stabilizatoare de tensiune negativa. Valorile

xx sunt: 05, 52, 06, 08, 85, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 24 şi corespund unor tensiuni de iesire

fixe de 5; 5,2; 6; 8; 8,5; 9; 10; 12; 15; 18; 20 şi 24 volti.

Schemele de utilizare recomandate de fabricant sunt prezentate în figurile 3.36

(stabilizator de tensiune pozitivă cu L78xx) şi 3.37 (stabilizator de tensiune negativă cu

L79xx).

Fig. 3.36. Schema de utilizare pentru stabilizatorul 78xx.

Fig. 3.37. Schema de utilizare pentru stabilizatorul 79xx.

Schema bloc a acestor stabilizatoare (figura 3.38), evidenţiază elementele

principale din schema bloc generală din figura 7, la care se adauga un circuit pentru o

pornire sigura şi doua circuite de protecţie, unul de protecţie termica şi al doilea pentru

depăşirea suprafeţei sigure de lucru, SOA (Safe Operating Area).

Fig. 3.38. Schema bloc a stabilizatoarele 78xx şi 79xx.

Stabilizatoare reglabile în trei puncte (LM317, LM337)

Cele mai utilizate circuite stabilizatoare reglabile în trei puncte sunt LM317,

stabilizator reglabil de tensiune pozitiva şi LM337, stabilizator reglabil de tensiune

negativa.

In esenta circuitul mentine constanta o tensiune de 1,25V intre terminalul de iesire

şi cel de reglaj. Principiul e ilustrat în figura 3.39 pentru varianta pozitiva (lucrurile fiind

similare şi pentru varianta negativa)

Fig. 3.39. Principiul de functionare al stabilizatorului reglabil LM317.

Daca tensiunea notata cu VREF este constanta, atunci se deduce simplu că, dacă se

neglijeaza curentul absorbit de stabilizator, IADJ+, care are o valoare de aproximativ 50µA,

tensiunea de iesire este:

(3.38)

Tensiunea minima este 1,25V atunci cand

rezistenta reglabila este zero. Tensiunea maxima

depinde de raportul rezistentelor R1 şi R2. O conditie

suplimentara este ca în cel mai defavorabil caz (tensiune de iesire minima):

I1>>50µA (3.39)

Schema de utilizare este prezentata în figura 3.40. Diodele au rol de protectie,

analizat în paragraful despre protecţia stabilizatoarelor

Fig. 3.40. Schema de utilizare a stabilizatorului reglabil LM317.

Utilizarea încrucişată a stabilizatoarelor în trei puncte

Existenţa stabilizatoarelor pentru tensiuni pozitive şi negative nu înseamnă că ele

sunt destinate exclusiv pentru realizarea surselor stabilizate de polaritatea destinată de

1

2125,1R

RUO

fabricant. Ele pot fi utilizate şi pentru polaritatea opusă, un exemplu fiind prezentat în

figura 3.41 unde stabilizatorul de tensiune nagativă, L79xx este utilizat pentru a realiza o

tensiune stabilizată pozitivă.

Fig. 3.41. Stabilizator de tensiune pozitivă

cu stabilizatorul de tensiune negativă, L79xx.

Deosebirea fundamentală faţă de circuitul din figura 3.36 este că sursa

nestabilizată şi sursa stabilizată nu au un punct comun de masă, sursa nestabilizată fiind

flotantă.

Alte stabilizatoare integrate în trei puncte

Stabilizatoarele în trei puncte prezentate sunt doar cele mai utilizate circuite de

acest fel. Exista multe alte variante, cu alti parametri, cum sunt tensiunile sau curentii de

iesire, tensiunile minime de intrare, curentii absorbiti de stabilizator (quiescent current).

Exista circuite de tensiuni ridicate HV sau de curenti mari, pana la 10A dar şi circuite

economice, cu curenţi de mers în gol de ordinul μA.

3.6. Protecţia stabilizatoarelor

Stabilizatoarele sunt circuite foarte utilizate, de care depinde buna funcţionare a

mai multor altor circuite electronice, motiv pentru care fiabilitatea stabilizatoarelor este o

preocupare foarte importantă. Obişnuit un stabilizator este în pericol în cazul unor

regimuri de avarie ale circuitelor de alimentare nestabilizată (redresoarelor) sau ale

sarcinii (de obicei alte circuite electronice).

Regimul de avarie cel mai des întâlnit şi cel mai priculos pentru stabilizatoarele

serie este cel de suprasarcina sau supracurent, în care rezistenţa totala a sarcinii scade sub

valoarea minimă admisă şi care provoacă creşterea curentului de ieşire peste valoarea

maxim admisibilă. La limită, dacă rezistenţa scade la zero regimul se numeşte de

scurcircuit.

Fără circuite speciale de protecţie la suprasarcină sau scurtcircuit, prin natura lor,

la stabilizatoarele cu reactie serie curentul de ieşire poate creşte până la maximul posibil

dat de sursa nestabilizată, curent care este cu cel puţin un ordin de mărime mai mare

decât curentul nominal. Solicitarea în curent a elementului de control care este parcurs de

curentul de ieşire (un tranzistor - sau o combinaţie de tranzistoare), creşte similar iar

dacă se depăşeste valoarea maxim admisibilă acesta se arde.

Defectarea poate avea loc şi dacă nu se depăşeşte curentul maxim dar dacă se

depăşeşte puterea disipată (produsul curent-tensiune pe element) maximă a tranzistorului

(adică se iese din aria de funcţionare sigură - SOA). Un efect agravant al regimului de

suprasarcină şi mai ales de scurtcircuit este că şi tensiunea pe elementul de control creşte

în condiţiile în care stabilizatorul suprasolicitat iese din plaja de stabilizare şi tensiunea

de ieşire scade (chiar la zero în cazul regimului de scurtcircuit) astfel că puterea disipată

creşte suplimentar.

Defectarea tranzistorului principal la depăşirea SOA nu se face instantaneu ci într-

un interval de timp care poate ajunge la minute.

3.6.1. Protecţia la suprasarcină şi scurtcircuit

Protecţiile la suprasarcină şi scurtcircuit intră în acţiune atunci când curentul

depăşeste o valoare prescrisă şi asigură o limitarea a curentului la valori nepericuloase

pentru elementul de control serie. Ele se împart în două categorii în funcţie de modul de

acţiune şi corespunzător există două variante (prezentate în figura 3.42) pentru

caracteristicile curent tensiune.

a) b)

Fig. 3.42. Tipuri de caracteristici curent tensiune

pentru stabilizatoarele cu protecţie la suprasarcină.

În primul caz se limitează curentul dupa trecerea de punctul de curent maxim şi,

dacă rezistenţa de sarcină ajunge la zero, se ajunge la un curent de scurtcircuit, ISsc, puţin

mai mare decât curentul maxim (3.42a). În acest fel însa tensiunea pe tranzistor creşte iar

puterea disipata pe tranzistor este mult mai mare decât puterea la funcţionarea în

domeniul normal. Stabilizatorul nu poate rămâne în regim de scurtcircuit decât un timp

limitat.

A doua produce o întoarcere a caracteristicii şi un curent de scurtcircuit mult mai

mic decât curentul maxim admis (figura 3.42b). În acest fel puterea disipata pe tranzistor

este comparabilă cu puterea rezultată din funcţionarea în domeniul normal iar

sStabilizatorul poate rămâne în regim de scurtcircuit fară riscuri.

În figura 3.43 este prezentată varianta de circuit ce produce doar limitarea

curentului.

Schema are două elemente şi ce poate fi adoptata la toate stabilizatoarele serie cu

reactie şi amplificator de eroare. T este elementul de reglaj serie iar RP este o rezistenţă

mică prin care trece curentul de sarcină IO care produce o tensiune egala cu RPIO iar TP

este tranzistorul de protecţie.

Pentru IO < ISmax tensiunea RPIO < UBE de deschidere a tranzistorului de protecţie,

aproximativ 0,6V, şi acesta este blocat. La valori IO > ISmax TP se deschide şi preia din

curentul de comandă furnizat de amplificatorul de eroare. Se realizează astfel o limitare a

curentului de sarcină.

Fig. 3.43. Schemă de protecţie cu limitarea curentului.

În figura 3.44 este prezentată varianta de schema numită cu întoarcere şi care produce

micşorarea curentului de scurtcircuit faţă de curentul maxim prin sarcină.

Se observa că, pentru tranzistorul de protectie, TP:

UBE = RPIO - kUO

După deschiderea TP, prin acţiunea de deviere a curentului, tensiunea de ieşire UO

scade, scade kUO şi deci UBE creşte şi creşte curentul preluat de la amplificatorul de

eroare. În acest fel se micşorează, nu doar se limitează, curentul de comandă al

tranzistorului principal şi deci şi curentul principal.

Fig. 3.44. Schemă de protecţie cu micşorarea curentului de scurtcircuit.

3.6.2. Protectie cu diode la inversarea accidentală a tensiunilor pe tranzistoare

Inversarea accidentală a tensiunilor pe tranzistoare sau pe circuitele integrate din

stabilizatoare poate provoca distrugerea acestor elemente. Situaţii de acest fel apar mai

ales când se produc scurcircuite la sarcină sau la intrare. O protecţie simplă este cu diode

şi este chiar recomandată de producător pentru unele circuite cum sunt stabilizatoarele

integrate reglabile în trei puncte şi după cum se poate vedea în figura 3.40. Aici dioda D1

protejează la scurtcircuit pe intrare, caz în care tensiunea de ieşire apare (pe timp scurt,

până la descarcarea condensatorului de la ieşire) pe elementul de reglaj serie şi are

polaritate inversă decât tensiunea pe acelaşi element în funcţionare normală. Prezenţa

diodei (care se deschide) limiteaza această tensiune inversă la 0,7V.

A doua diodă, D2 protejează la scurtcircuit pe ieşire, caz în care tensiunea între

punctele OUT şi ADJ schimbă sensul devenind egală, în momentul iniţial al

scurtcircuitului, cu tensiunea pe condensatorul CA. Dioda limitează şi în acest caz

tensiunea inversă la valoarea 0,7V.

O altă situaţie care cere plasarea unor diode de protecţie (de data asta pe ieşirea

stabilizatoarelor) apare când sunt utilizate surse înseriate (figura 3.45) iar sarcina este

între extremităţi, aşa cum se întâmplă de exemplu la alimentarea amplificatoarelor

operaţionale. Un scurtcircuit pe sarcină poate inversa tensiunea la bornele de ieşire ale

stabilizatoarelor dar prezenţa diodelor limitează această tensiune inversă la 0,7V.

Fig. 3.45. Protecţie cu diode pe ieşiri la sursele stabilizate înseriate.

un tranzistor pnp de comandă urmat de unul de putere npn denumită cvasi-LDO,

este prezentată în figura 3.16b, caz în care căderea de tensiune poate începe de la 0,9V.

Combinaţia se numeste şi tranzistor Darlington cu schimbare de polaritate deoarece este

echivalenta cu un tranzistor, aici pnp, complementar celui de putere, aici npn.

Trebuie precizat că varianta cu tranzistor npn este totuşi mai utilizată fiindcă este

în primul rând mai stabilă, apoi are rezistenţă de intrare mai mare şi deci amplificare mai

mare a amplificatorului de eroare şi rezistenţă de ieşire mai mică care asigură un regim

dinamic mai bun, mai ales pe sarcini capacitive.

Tranzistoare MOS

Adeseori pentru realizarea LDO sunt preferate tranzistoarele de putere MOS. Cele

de tip P-MOS sunt utilizate direct (figura 3.17a), caderea de tensiune fiind de pana la

0,3V iar cele de tip N-MOS fie direct (variantele mai noi fiind deasemenea cu rezistenţă

RON mică) în combinaţie cu un P-MOS de mică putere (figura 3.17b).

a) b)

Fig. 3.17. Elemente de control serie cu tranzistorare MOS pentru stabilizatoare LDO: cu

canal p (a) şi combinaţie canal n şi p (b).