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 = V_Z – V_BE

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 R_E  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.

V_Im=[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 V_I=16 V cît şi tensiunea maximă       V_IM=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:

V_I=V₂√2 — 0,7 = 16 V

din care rezultă:

V₂=12 V_ef

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

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

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

V_{CE Max}=V_IM-V₀=18-9=9 V

P_dMax=(V_IM-V₀)I_0M=(18-9) 0,2=1,8 W

Se alege tranzistorul BD 135/6 cu caracteristicile:

I_CMax=1,5 A; C_CEO=45 V; h_21E (la V_CE=2 V; I_C=150mA) = 45 .. .95; P_tot=12,5 W.

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

V_z =9 V + V_BE = 9,6 V

3. Se calculează rezistenţa R_B de polarizare a diodei Zener şi a bazei tranzistorului serie (pentru a se asigura curentul mi­nim prin diodă I_Zm , şi curentul de comandă al bazei tranzisto­rului serie, I_B), pentru două categorii de diode Zener:

— pentru diode Zener de mică putere (P_Max= 0,3 W, I_Zm=2 … 5 mA, de exemplu DZ 2V7 … DZ 15). Se consideră dioda DZ10 cu caracteristicile V_Zm=9,4 V; V_ZT=10 V; I_ZT=5 mA; I_ZM=28 mA.

R_B = (V_Im-V_Z)/(I_B+I_Zm)

sau

R_B = (V_Im-V_Z)/((I_OM/ h_21Emin)+I_Zm)= (14-9,6)/((0,2/45)+0,005) = 463 Ω

se alege R_B = 430 Ω ±5%o.

— pentru diode Zener de 1…5 W, cu I_Zm=5… 30 mA, (PL 3V3Z … PL 200Z; 4D210 … 180); se consideră diodă PL 10VIZ, cu caracteristicile V_Zm=9,4 V, V_ZT=10 V; I_ZT=50 mA; I_ZM = 94 mA.

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

Se alege R_B =300 Ω ±5%.

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

I_ZMax=(V_IM-V_Z)/R < I_ZM

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

I_ZMax=(18-9,6)/430=20 mA < I_ZM

— pentru dioda Zener de putere

I_ZMax=28 mA < I_ZM

P_dZ=280 mW < P_Max

5. Se alege tipul de diodă Zener în funcţie de V_Z şi I_ZM.

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 r_ZT.

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

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

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

Curentul I_Z prin dioda Zener scade pînă sau sub mărimea’ I_ZM din două cauze:

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

– la v_I=V_Im=14 V, I₁=I_RB=(V_t-V_Z)/R_B şi I _IB=I_OM/h_21Emin

I₁=(14-10)/430 = 10 mA

I_B=200/40=5 mA

I_Z=I₁-I_B=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 h_21E. Astfel, pentru tranzistoare de putere cu h_2lE mic, I_B poate depăşi mărimea I_Z, făcînd prin diodă să nu mai treacă curentul minim de stabilizare, ceea ce face ca tensiunea V_Z 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 I_ZM  ridicat permiţind de Ia bun început mărirea curentului, I_RB prin micşorarea lui R_B; 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 h_21E mai mic (20 … 30), deoarece I_Z fiind mult mai mare decît I_B, 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 I_B. 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=V_Z-V_BE.

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 V_BE creşte (conform relaţiei de mai sus) deoarece V_Z=constant. Re­zultă că atît I_B cît şi I_C 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]V_Z + V_BE                                              (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, I_0M, I_0m
• variaţiile tensiunii de alimentare V_lm, V_IM,
• temperatura maximă de lucru, t_{amb 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 V_ef (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 V_Im=14 V, V_IM= 18 V.

Cu aceste date iniţiale, calculul decurge în modul următor:

1. Se determină tensiunea diodei Zener

V_Z = V₀-V_BE = 9V – 0,6V = 8,2 V

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

2. Se calculează mărimea rezistorului de balast R₁:

R₁=(V_Im-V₀)/(I_0M+I_{C min}) – (V_Im—V₀)/1,1I_0M=(14-9)/0,22 = 23 Ω

(se consideră I_Cmin=I_0M/10).

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

Puterea disipată în acest rezistor este:

P_dR=(V_IM -V₀)/R₁≈4W

3. Se estimează puterea maximă disipată în tranzistorul pa­ralel:

P_dMax=((V_IM -V₀)/R₁ – I_0m)V₀ ≈3,6 W

Se alege tranzistorul BD 135 cu caracteristicile:

P_dMax = 12,5 W (cu radiator infinit), I_CMax=1,5 A; V_CEMax=45 V; h_2lE = 45… 95 (la V_CE = 2V, I_C=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 V_BE ale tranzistoarelor Q₁ şi Q₂, astfel că la ieşirea montajului se regăseşte o tensiune egală cu tensiunea V_Z 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.