Articole electronica, kituri, scheme
Carti

Stabilizatoare de tensiune – Stabilizatoare parametrice cu tranzistoare

2.1.2. Stabilizatoare parametrice cu tranzistoare

În cazul în care curentul furnizat în sarcină de sche­mele de stabilizare cu diode Zener (fig. 2.2 şi 2.3) este mai mare decît curentul pe care-1 poate suporta dioda Zener, schemelor li se pot adăuga unul sau mai multe tranzistoare cu ajutorul cărora se amplifică acest curent, fu funcţie de modul în care se conectează în schemă acest tranzistor sînt posibile trei configuraţii de stabilizatoare: configuraţia serie, configuraţia paralel şi configuraţia serie-paralel.

Configuraţie serie

În această configuraţie schemelor din fig. 2.2 şi 2.3 li se adaugă un tranzistor bipolar în serie cu sarcina, aşa cum rezultă din fig. 2.5 pentru a li se extinde (amplifica) curentul de ieşire. Dioda Zener* se alege astfel încît prin conectarea tranzistorului Q tensiunea la ieşirea stabiliza­torului să fie „fixată” la valoarea dorită, egală cu ten­siunea diodei Zener, minus căderea de tensiune emitor-bază a tranzistorului.

V0 = VZ – VBE

Dacă tensiunea pe sarcină creşte, datorită unei cauze oarecare, concomitent se micşorează şi tensiunea între baza şi emitorul tranzistorului serie. În acest caz, curen­tul de colector al acestui tranzistor scade, astfel încît tensiunea la ieşire revine la valoarea sa nominală.

Odată cu micşorarea tensiunii de ieşire, se produce şi creşterea tensiunii bază-emitor a tranzistorului, curen­tul de colector al acestuia creşte şi drept urmare tensiu­nea la ieşirea stabilizatorului revine la valoarea iniţială.

Faţă de un stabilizator simplu cu diodă Zener, schema propusă prezintă avantaje deoarece permite o variaţie a curentului de sarcină de β ori mai mare decît variaţia de curent maxim admisibilă prin dioda Zener. În conse­cinţă, pentru o diodă Zener de putere disipată dată, se poate stabiliza tensiunea la bornele unei sarcini la o pu­tere de cca jî ori mai mare decît în cazul unui stabiliza­tor simplu cu diodă Zener.

În fig. 2.6 se prezintă un alimentator stabilizat ele 9 V/250 mA, realizat pe baza schemei din fig. 2.5. Ten­siunea furnizată de transformatorul T, cu priză mediană, de 2X12 Vef, este redresată prin intermediul a două diode 1N4001. Rezistorul R1 de 1 Ω limitează vîrfurile de curent prin diodele redresoare, care pot apărea datorită capacităţii C1 de 500 µF. Tensiunea de ondulaţie în colectorul tranzistorului Q este redusă prin intermediul filtrului R2—C2. Dioda stabilizatoare DZ10 sau PL10Z este alimentată prin rezistenţa de 300 Ω şi furnizează o tensiune de 10 V pe baza tranzistorului BD135. Rezis­tenţa R4 de 200 Ω este o rezistenţă de presarcină* care asigură un curent de pornire pentru tranzistor în lipsa sarcinii. Tranzistorul Q disipa o putere de aproximativ 2 W în condiţiile cele mai dificile de funcţionare şi de aceea trebuie montat pe un radiator (de exemplu o placă de aluminium de 7,5X7,5 cm, groasă, de 2 mm).

Pentru a obţine la ieşire o tensiune reglabilă, se fo­loseşte schema din fig. 2.7. Preţul plătit pentru această facilitate constă într-o relativă deteriorare a stabilizării faţă de tensiunea de intrare.

Revenind la schema de bază din fig. 2.5 trebuie să observăm că dioda de referinţă Z lucrează în condiţii mai uşoare decît în cazul stabilizatorului parametric simplu (fig. 2.2), preluînd numai variaţiile curentului de bază al tranzistorului serie Q, variaţiile curentului de sarcină fiind preluate de colectorul acestuia.

Performanţele schemei de bază pot fi îmbunătăţite fie prin. utilizarea unor tranzistoare compuse — configuraţie Darlington (fig. 2.8), fie prin dispunerea în paralel a mai multor tranzistoare bipolare (fig. 2.9).

Schema din fig. 2.9 se utilizează în cazul în care pu­terea admisă pe un tranzistor este insuficientă pentru furnizarea curentului de sarcină necesar. Tranzistoarele Q1, Q2, legate în paralel, se selecţionează după mărimea factorului ţi şi se protejează prin rezistenţele RE  de ega­lizare a curenţilor.

În fig. 2.10 prezentăm o schemă de sursă de tensiune stabilizată reglabilă realizată pe baza schemelor de prin­cipiu din fig. 2.3 f, 2.7 şi 2.8.

În continuare se prezintă pe scurt un exemplu de calcul pentru un stabilizator de tensiune realizat pe baza, schemei din fig. 2.5.

Se cere să se calculeze un stabilizator pentru o sursă de ali­mentare a unui receptor cu tranzistoare echipat cu un etaj final în contratimp clasă B al cărui consum variază între 20 şi 200 mA la 9 V, alimentarea efectuîndu-se de la reţeaua de curent alter­nativ care poate avea variaţii de tensiune de —15…+10% din tensiunea nominala.

  1. Se determină tensiunea minimă la intrarea stabilizatorului, necesară funcţionării normale, (în cazul tensiunii de reţea mi­nime şi a curentului de sarcină, maxim), din condiţia impusă tranzistorului serie să nu intre în regiunea de saturaţie.

VIm=[V0+(4…6)]V = 9 + 5 = 14 V

Ţinînd seama de plaja admisă pentru variaţia tensiunii reţe­lei, printr-o regulă de trei simplă se determină atît tensiunea normală VI=16 V cît şi tensiunea maximă       VIM=18V care se aplică la intrarea stabilizatorului.

Utilizînd un transformator urmat de un redresor dublă al­ternanţă cu filtraj cu condensator, tensiunea V2 în secundarul transformatorului se deduce din egalitatea:

VI=V2√2 — 0,7 = 16 V

din care rezultă:

V2=12 Vef

unde 0,7 V=VF, reprezintă căderea de tensiune pe dioda redresoare.

Se foloseşte un transformator care furnizează în secundar o tensiune de 2×12 Vef.

  1. Se estimează căderea de tensiune şi puterea maximă disi­pată pe tranzistorul serie.

VCE Max=VIM-V0=18-9=9 V

PdMax=(VIM-V0)I0M=(18-9) 0,2=1,8 W

Se alege tranzistorul BD 135/6 cu caracteristicile:

ICMax=1,5 A; CCEO=45 V; h21E (la VCE=2 V; IC=150mA) = 45 .. .95; Ptot=12,5 W.

  1. Se determină tensiunea necesară a diodei Zener Vz. Ten­siunea VBE a tranzistorului serie scăzîndu-se din tensiunea Vz (relaţia 2.10) aceasta din urmă trebuie să fie egală cu:

Vz =9 V + VBE = 9,6 V

  1. Se calculează rezistenţa RB de polarizare a diodei Zener şi a bazei tranzistorului serie (pentru a se asigura curentul mi­nim prin diodă IZm , şi curentul de comandă al bazei tranzisto­rului serie, IB), pentru două categorii de diode Zener:

— pentru diode Zener de mică putere (PMax= 0,3 W, IZm=2 … 5 mA, de exemplu DZ 2V7 … DZ 15). Se consideră dioda DZ10 cu caracteristicile VZm=9,4 V; VZT=10 V; IZT=5 mA; IZM=28 mA.

RB = (VIm-VZ)/(IB+IZm)

sau

RB = (VIm-VZ)/((IOM/ h21Emin)+IZm)= (14-9,6)/((0,2/45)+0,005) = 463 Ω

se alege RB = 430 Ω ±5%o.

— pentru diode Zener de 1…5 W, cu IZm=5… 30 mA, (PL 3V3Z … PL 200Z; 4D210 … 180); se consideră diodă PL 10VIZ, cu caracteristicile VZm=9,4 V, VZT=10 V; IZT=50 mA; IZM = 94 mA.

RB = (14-9,6)/((0,2/45)+0,010) = 304 Ω

Se alege RB =300 Ω ±5%.

  1. Se calculează curentul maxim prin dioda Zener IZMax şi puterea disipată de aceasta (cînd tensiunea la intrarea stabiliza­torului are valoarea maximă, VIM) pentru cele două situaţii men­ţionate la punctul anterior:

IZMax=(VIM-VZ)/R < IZM

— pentru dioda Zener de putere mică: 18 — 9,6

IZMax=(18-9,6)/430=20 mA < IZM

— pentru dioda Zener de putere

IZMax=28 mA < IZM

PdZ=280 mW < PMax

  1. Se alege tipul de diodă Zener în funcţie de VZ şi IZM.

Avînd în vedere că în, ambele situaţii de mai sus curentul maxim şi puterea disipată de dioda Zener nu depăşesc valorile limită de catalog, se alege dioda de putere mai mică (în criteriul de alegere intrînd şi costul diodei).

Se alege dioda DZ 10.

Se determină pe caracteristica acestei diode curentul minim de polarizare şi rezistenţa diferenţială rZT.

Se corectează printr-un calcul exact mărimile RB şi IZM, ţinînd seama de caracteristica diodei Zener.

  1. Se determină limitele pînă la care schema propusă sta­bilizează.

Schema stabilizează atîta timp cit tensiunea la bornele diodei Zener rămîne constantă şi egală cu VZT; această tensiune este constantă atîta timp cît prin diodă trece un curent superior celui „de cot”, adică peste 2 … 4 mA.

Curentul IZ prin dioda Zener scade pînă sau sub mărimea’ IZM din două cauze:

  1. a) tensiunea vI la intrarea stabilizatorului este prea mică,

– la vI=VIm=14 V, I1=IRB=(Vt-VZ)/RB şi I IB=IOM/h21Emin

I1=(14-10)/430 = 10 mA

IB=200/40=5 mA

IZ=I1-IB=10-5=5 mA;

rezultă că în această situaţie dioda Zener este străbătută de un curent suficient pentru ca stabilizatorul să funcţioneze normal,

  1. b) consumul de curent la ieşire I0 este prea mare.

Creşterea sarcinii la curenţi peste 200 mA conduce la acelaşi efect: la curenţi mari de colector, curentul bazei tranzistorului serie creşte mult nu numai din cauza creşterii curentului I0, ci şi din cauza scăderii parametrului h21E. Astfel, pentru tranzistoare de putere cu h2lE mic, IB poate depăşi mărimea IZ, făcînd prin diodă să nu mai treacă curentul minim de stabilizare, ceea ce face ca tensiunea VZ la bornele diodei să scadă şi în conse­cinţă să scadă şi tensiunea la ieşire.

Notă

Cele de mai sus arată că pentru a asigura stabilizarea cu montajul propus ar fi necesară o diodă Zener care să suporte un IZM  ridicat permiţind de Ia bun început mărirea curentului, IRB prin micşorarea lui RB; în acest fel, la variaţii de sarcină sau de tensiune de intrare s-ar asigura prin dioda Zener un curent de lucru suficient de mare. Cu o astfel de diodă, s-ar putea folosi şi tranzistoare eu h21E mai mic (20 … 30), deoarece IZ fiind mult mai mare decît IB, variaţia sarcinii nu poate „destabiliza” stabilizatorul. Diodele Zener de putere sînt însă mai scumpe decît tranzistoarele de mică putere.

Pentru a creşte factorul de stabilizare trebuie micşorat cu­rentul IB. Acest lucru se poate asigura cu montajul Darlington.

Configuraţie paralel

În fig. 2.11 a, b se prezintă patru variante de scheme. Tensiunea la ieşire în aceste cazuri este egală cu suma dintre tensiunea diodei Zener şi tensiunea emitor-bază a tranzistorului, V0=VZ-VBE.

Pentru a pune în evidenţă acţiunea de stabilizare a schemelor prezentate se presupune că tensiunea de ie­şire are o creştere mică; în acest caz tensiunea VBE creşte (conform relaţiei de mai sus) deoarece VZ=constant. Re­zultă că atît IB cît şi IC cresc, şi deci şi căderea de ten­siune R1I creşte, făcînd ca V0 să scadă. Evident, în acest caz însuşi tranzistorul îşi reglează curentul de colector, care la rîndul său ajustează căderea de tensiune pe re­zistenţa de balast R1, contribuind prin aceasta la men­ţinerea constantă a tensiunii la ieşire. Lucrurile se întîmplă invers la scăderea tensiunii de ieşire.

Acţiunea de stabilizare a schemei la modificarea ten­siunii de intrare se explică prin aceea că variaţiile acestei tensiuni determină variaţii ale curentului prin tranzis­tor. Căderea de tensiune provocată de variaţiile curentu­lui prin rezistenţa R1 compensează variaţiile tensiunii de intrare. Astfel, dacă tensiunea de intrare creşte, tensiunea de ieşire tinde, de asemenea, să crească. Ca urmare, ten­siunea bază-emitor şi curentul prin tranzistor se măresc, căderea de tensiune pe R1 creşte şi în final tensiunea de ieşire revine aproape de valoarea sa iniţială.

Avantajul înlocuirii unei diode Zener de putere printr-o asociere „Diodă Zener de mică putere — Tranzistor bipolar” (cazul montajelor din fig. 2.11), avantaj concre­tizat, atît prin creşterea puterii comandate (factor de multiplicare β), cît şi prin reducerea rezistenţei dinamice (factor de divizare β), este cel mai bine pus în evidenţă în fig. 2.12, unde ca element de reglare paralel se folo­seşte o configuraţie Darlington. În acest caz, cu o diodă Zener de putere sub 1 W se poate stabiliza o putere de peste 10 W.

Schemele electrice prezentate în fig. 2.11 furnizează la ieşire o tensiune fixă. În cazul în care în paralel pe dioda Zener se conectează un potenţiometru (reprezentat cu linie întreruptă în fig. 2.12), stabilizatorul realizat în acest mod asigură la ieşire o tensiune variabilă.

Este posibil ca stabilizatorul de tip paralel să furni­zeze la ieşire tensiuni mai mari decît tensiunea diode Zener care intră în componenţa lui. Acest lucru se obţi­ne în cazul în care baza tranzistorului se alimentează printr-un divizor de tensiune rezistiv R1, R2 şi dioda Zener se montează în serie pe emitorul tranzistorului (fig. 2.13). În acest caz tensiunea la ieşire este dată de relaţia:

V0=[(R1+R2)/R2]VZ + VBE                                              (2.11)

În continuare se prezintă un exemplu de calcul al unui stabilizator de tensiune tip paralel (fig. 2.11).

Pentru calculul unui astfel de stabilizator se dau, de obicei:

  • tensiunea stabilizată, V0

  • curenţii de sarcină maximi şi minimi, I0M, I0m
  • variaţiile tensiunii de alimentare Vlm, VIM,
  • temperatura maximă de lucru, tamb Max

Ca şi în exemplul de calcul anterior, în acest caz se cere să se realizeze o sursă de alimentare stabilizată, care în condiţii normale de mediu ambiant trebuie să furnizeze la ieşire 9V la un curent variabil în limitele 20 mA… 200 mA. Tensiunea re­ţelei de alimentare variază în limitele —15% . ..+10%.

Utilizînd un transformator care furnizează în secundar o ten­siune de 2×12 Vef (v. calculul din exemplul precedent), urmat de un redresor dublă alternanţă şi un filtru cu intrare pe conden­sator, la intrarea stabilizatorului tensiunea variază în limitele VIm=14 V, VIM= 18 V.

Cu aceste date iniţiale, calculul decurge în modul următor:

  1. Se determină tensiunea diodei Zener

VZ = V0-VBE = 9V – 0,6V = 8,2 V

Se alege dioda Zener DZ-8V2, cu VZT = 8,2 V la IZT = 5 mA.

  1. Se calculează mărimea rezistorului de balast R1:

R1=(VIm-V0)/(I0M+IC min) – (VIm—V0)/1,1I0M=(14-9)/0,22 = 23 Ω

(se consideră ICmin=I0M/10).

Se alege valoarea normalizată cea mai apropiată Rl=22 Ω.

Puterea disipată în acest rezistor este:

PdR=(VIM -V0)/R1≈4W

  1. Se estimează puterea maximă disipată în tranzistorul pa­ralel:

PdMax=((VIM -V0)/R1 I0m)V03,6 W

Se alege tranzistorul BD 135 cu caracteristicile:

PdMax = 12,5 W (cu radiator infinit), ICMax=1,5 A; VCEMax=45 V; h2lE = 45… 95 (la VCE = 2V, IC=150 mA).

Configuraţie serie-paralel

Cunoscînd caracteristicile funcţionale ale celor două tipuri de stabilizatoare prezentate, este posibil să se utili­zeze calităţile fiecărui tip în parte, pentru realizarea de combinaţii de montaje serie-paralel.

În fig. 2.14 se prezintă o astfel de schemă, în care tranzistoarele Q2 şi Q3 constituie un etaj în contratimp comandat de etajul colector comun realizat cu tranzisto­rul Q1, care reproduce pe emitorul său tensiunea diodei Zener Z. compensată în temperatură cu diodele D1 şi D2.

Căderile de tensiune la bornele diodelor D1D2 compen­sează şi tensiunile VBE ale tranzistoarelor Q1 şi Q2, astfel că la ieşirea montajului se regăseşte o tensiune egală cu tensiunea VZ a diodei Zener Z.

* Grupul R—DZ constituie un stabilizator parametric identici cu cel din fîg. 2.2. Curentul lui de ieşire comandă baza tranzisto­rului Q, care lucrează ca repetor pe emitor. În felul acesta se obţine o amplificare a curentului furnizat de grupul R—DZ.

În unele lucrări, acest montaj se consideră un stabilizator cu reacţie. Conform celor prezentate în capitolul introductive în categoria stabilizatoarelor cu reacţie include numai acele stabilizatoare care au şi un amplificator de eroare.

* Bleeder {engl.),: asigură polarizarea în direct a tranzistorului BD135, astfel încît tensiunea de ieşire în gol să fie men­ţinută Ia o valoare dorită.


Articole din aceasi publicatie
Subscribe
Notify of
guest

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
back to top