Stabilizatoare de tensiune – Stabilizatoare parametrice simple

2.1.1. Stabilizatoare parametrice simple

Stabilizatorul de tensiune de acest tip reprezintă un dispozitiv electronic destinat să menţină cît mai constantă tensiunea la bornele unei sarcini pe baza caracteristicii sale tensiune-curent, fără să se recurgă la circuite supli­mentare de reacţie.

Aceste dispozitive se utilizează în toate cazurile în care este necesar să se alimenteze o sarcină cu o tensiune relativ constantă (în limitele 1 . . . 2%, cînd tensiunea de alimentare şi/sau curentul prin sarcină variază în pro­porţii mult mai mari).

Ca element regulator în aceste stabilizatoare se uti­lizează diodele Zener şi tuburile cu descărcare în gaz de tip stabilivolt precum şi unele rezistoare cu caracteristica aşa-numită neliniară. Actualmente răspînclirea cea mai largă o au stabilizatoarele cu diode Zener, care vor fi exa­minate în continuare.

Dioda Zener ca sursă de tensiune constantă

La dioda Zener, caracteristica de conducţie în polari­zare directă (sursa de alimentare cu plusul pe anod şi cu minusul pe catod) este similară cu caracteristica oricărei diode redresoare. Aplicînd însă plusul pe catod şi minu­sul pe anod şi crescînd lent tensiunea, la un moment dat — caracteristic pentru fiecare diodă Zener — curentul creşte brusc; dioda pare că intră în străpungere. Apa­re conducţia inversă în avalanşă şi curentul creşte abrupt. Conducţia în ava­lanşă se datoreşte desprin­derii electronilor din re­ţeaua cristalină la cîmpuri electrice mari şi/sau dato­rită ciocnirii electronilor cu energie mare (electroni rapizi) care produc ionizarea prin şoc cînd în avalan­şă purtătorii de sarcină se înmulţesc extraordinar. În fig. 2.1 este prezentată ca­racteristica unei diode Ze­ner de 6 V.

Curentul trebuie limitat cu o rezistenţă serie R de­oarece în caz contrar joncţiunea se topeşte, prin încălzire excesivă. Se fabrică diode Zener pentru tensiuni cuprinse între cea. 3 V şi 200 V şi puteri de disipaţie de ordinul a 0,250 W pînă la peste 50 W.

Din figură se observă că în jurul tensiunii Zener, este suficientă o variaţie foarte mică a tensiunii pentru a se provoca o variaţie extrem de mare a curentului, ceea ce permite să se definească o caracteristică importantă a dio­dei Zener şi anume rezistenţa ei diferenţială* R_ZT; aceasta reprezintă raportul dintre o variaţie foarte mică ΔV_Z a tensiunii de referinţă şi variaţia corespunzătoare ΔI_Z a curentului invers:

R_ZT = ΔV_z/ΔI_z                                                                           (2.1)

Valoarea medie a rezistenţei dinamice se situează în mod uzual între cîţiva ohmi şi cîteva zeci (sute) de ohmi în funcţie de puterea diodei şi de mărimea tensiunii Ze­ner (de exemplu 1 … 2 Ω pentru diode Zener cu tensiuni cuprinse între 6 … 7 V sau 300 … 400 Ω la 100 V sau 1 000—1 500 Ω la 200 V). Diodele Zener cu tensiunea de cot situată în intervalul 7… 9 V au rezistenţa dinamică cea mai mică şi, ca atare, prezintă cele mai bune carac­teristici de stabilizare.

Funcţionarea unei diode Zener poate fi influenţată sau chiar compromisă prin încălzire excesivă, încălzire care poate fi provocată fie printr-un curent electric prea in­tens care trece prin diodă, fie prin temperatura am­biantă prea ridicată, fie prin influenţa lor simultană.

Diodele Zener au un coeficient de temperatură impor­tant: tensiunea Zener variază cu temperatura joncţiunii (Ti), această dependenţă fiind ilustrată în tabelul 2.1 din care se remarcă faptul că pentru diodele Zener de 5 V coeficientul de temperatură este aproape nul. De aici rezultă şi necesitatea ca pentru stabilizatoare de tensiune de calitate trebuie să se folosească diode PL 5V1 Z.

Stabilizatoare de tensiune cu diode Zener

În fig. 2.2. se prezintă schema de principiu a celui mai simplu stabilizator de tensiune cu diodă Zener, în care dioda este conectată în paralel cu rezistenţa de sarcină R_S. Curentul prin rezistenţa de balast R₁ este egal cu suma dintre curentul prin sarcină şi curentul prin dioda sta­bilizatoare.

Dependenţa coeficientului de temperature VZ

Efectul de stabilizare al schemei se explică astfel: cres- cînd progresiv tensiunea v₁ la intrarea stabilizatorului pînă la tensiunea de stabilizare V_z, curentul prin diodă este aproape nul (I_z=0), dioda Zener este blocată iar ten­siunea la ieşire V₀ este proporţională cu tensiunea de in­trare v₁. Peste tensiunea V_Zm a diodei Z, curentul I_Z creşte brusc, crescînd şi căderea de tensiune la bornele rezistorului R₁, astfel că tensiunea la ieşire V₀ va rămîne apro­ximativ constantă.

La micşorarea tensiunii de intrare lucrurile se petrec invers. Datorită scăderii pronunţate a curentului prin dioda Zener, căderea de tensiune pe rezistorul R₁ se mic­şorează, ceea ce face ca tensiunea pe sarcină să rămînă neschimbată.

Pe de altă parte, dacă I₀ creşte, datorită micşorării re­zistenţei de sarcină R_s, va scădea puţin şi tensiunea apli­cată diodei Zener, ceea ce determină micşorarea pronunţaţă a curentului prin aceasta, deci şi a căderii de ten­siune pe R₁ şi ca rezultat tensiunea la ieşire V₀ va rămîne neschimbată.

De tensiune V_Z  a diodei Zener

Rezistorul R₁ determină curentul I_Z la tensiunea ma­ximă posibilă la intrare V_{I Max} iar rezistenţa de sarcină R_s determină curentul minim prin sarcină, de la care începe stabilizarea (v. şi fig. 2.4).

Coeficientul de stabilizare pentru schema prezentată în fig. 2.2 se determină cu relaţia:

K^-1_V = V₀/Δv₁ ∙ R₁/R_ZT                                                       (2.2)

în care tensiunea de intrare variază în limitele:

v_{I min} = V_Im şi v_{I Max} = V_IM

Rezistenţa de ieşire (internă), R₀, a stabilizatorului este egală cu:

R₀ = R₁R_ZT/(R₁+R_ZT)                                                               (2.3)

Este evident că prin creşterea rezistenţei R₁ coeficien­tul de stabilizare se reduce dar, în acest caz, randamentul montajului se diminuează prin creşterea însemnată a pu­terii disipate pe acest rezistor.

În fig. 2.3 se prezintă cîteva variante ale schemei din fig. 2.2.

La montajul din fig. 2.3. a, în care se utilizează conec­tarea în cascadă a două stabilizatoare de tipul descris an­terior, se recurge numai în cazul în care schema prece­dentă nu asigură stabilizarea tensiunii de ieşire, V₀, cu precizia necesară ΔV₀. Evident că în acest caz V_Z1>V_Z2 , iar curenţii trebuie să satisfacă şi condiţia I₁>I₂>I₀. Coefi­cientul de stabilizare al montajului este egal cu produsul coeficienţilor de stabilizare ai fiecărui etaj.

Dezavantajul principal al stabilizatorului parametric cu mai multe trepte rezidă în randamentul său foarte mic, deoarece reclamă tensiuni de intrare mari în raport cu tensiunea pe sarcină; de exemplu un stabilizator para­metric cu trei trepte, care stabilizează la ieşire o ten­siune de 9 V necesită o tensiune de alimentare în jurul a 36 V.

Limitele tensiunii stabilizate pot fi extinse (fig. 2.3 b), prin conectarea în serie a mai multor diode Zener, cu cu condiţia ca toate aceste diode să admită curentul nece­sar. Este de preferat ca tensiunile lor să fie apropiate ca valoare. Uneori, prin dispunerea în serie a diodelor Zener contribuim atît la reducerea influenţei temperaturii, cît şi la micşorarea rezistenţei interne a stabilizatorului; de exemplu, trei diode PL 6V2 Z, fiecare cu rezistenţa di­namică de 2 Ω, montate în serie pentru a furniza o ten­siune de 18 V prezintă o rezistenţă dinamică totală de 6 Ω, faţă de o diodă PL 18 Z a cărei rezistenţă dinamică este de 15 Ω.

Dacă nu dispunem de o diodă Zener de tensiunea do­rită se poate alege o diodă cu tensiunea Zener mai mare, din care, printr-un divizor, se obţine tensiunea necesară, aşa cum s-a prezentat în fig. 2.3 c. Relevăm totodată, că această metodă prezintă dezavantajul creşterii rezisten­ţei de ieşire a stabilizatorului.

Variaţia temperaturii mediului conduce la modifica­rea tensiunii la ieşirea stabilizatorului, în funcţie de coe­ficientul de temperatură al diodei Zener. Pentru reduce­rea acestui efect pot fi utilizate o serie de scheme de compensare termică dintre care enumerăm:

• dispunerea în serie a unor diode Zener cu coefi­cienţi de temperatură de semne contrare,
• compensarea diodei Zener prin diode obişnuite cu siliciu,
• folosirea diodelor Zener compensate,
• compensarea prin intermediul unei rezistenţe sen­sibile la variaţia temperaturii şi anume cu coeficient de temperatură de semn contrar coeficientului de tempera­tură al diodei Zener.

Primul caz, (fig. 2.3 b), se bazează pe faptul că dio­dele Zener de tensiune mică (sub 5 V) au un coeficient de temperatură negativ, în timp ce diodele cu tensiuni peste 5 V au coeficient pozitiv. Este deci indicat ca atunci cînd tensiunea stabilizată trebuie să fie afectată mai puţin de temperatură, să se monteze în serie mai multe diode cu tensiunea Zener în jurul a 6 V, într-un număr suficient pentru obţinerea tensiunii stabilizate dorite. In­convenientul acestei metode constă în necesitatea selectă­rii laborioase a unui mare nuinăr de diode Zener pentru micşorarea sau chiar anularea coeficientului global de temperatură.

Cel de al doilea caz (fig. 2.3 d), se bazează pe consi­derentul că o diodă din siliciu polarizată în direct are coeficientul de temperatură negativ, valoarea sa fiind în general în jurul a —1,5 mV/°C, la un curent de cca 10 mA. Pornind de ia acest fapt există posibilitatea ca, prin utilizarea uneia sau a mai multor diode cu siliciu polarizate în direct, să se compenseze coeficientul de temperatură pozitiv al unei diode Zener. Inconvenientul acestei metode constă în aceea că mărimea căderii ele tensiune a diodei cu siliciu polarizate în direct este mică (în jurul a 0,65 V pe diodă) fapt care necesită un număr relativ mare de diode montate în serie pentru a com­pensa o diodă Zener obişnuită. De notat şi faptul că nu există nici-o contraindicaţie să se utilizeze indiferent care diodă Zener polarizată în direct ca diodă cu siliciu, ţinînd seama că şi în acest caz căderea de tensiune pe o astfel de diodă se situează tot în jurul a 0,65 V, indi­ferent de tensiunea ei Zener.

Cel de al treilea caz, se bazează pe faptul că pe piaţă există diode Zener compensate, ele nefiind altceva decît un ansamblu într-o singură capsulă* format dintr-o diodă Zener şi două sau trei diode cu siliciu polarizate în di­rect.

Cel de al patrulea caz, este ilustrat prin schema din fig. 2.3 c; rezistorul R₂ se realizează din manganină (cu coeficient de temperatură practic nul), iar R₃ este un termistor cu coeficient de temperatură pozitiv sau negativ, în funcţie de semnul coeficientului de temperatură al diodei Zener. Se impune ca aceste componente să se mon­teze pe un radiator comun pentru a li se egaliza tem­peraturile.

În sfîrşit, se menţionează un alt dezavantaj al diode­lor Zener şi anume acela care se pune în evidenţă la ali­mentarea diodei printr-un rezistor serie (rezistorul de balast utilizat în majoritatea schemelor din fig. 2.3); în acest caz, curentul prin dioda Zener poate varia în limite largi cu tensiunea de intrare, independent de curentul prin sarcină. De aceea, în mod frecvent în practică re­zistorul de balast este înlocuit printr-o sursă de curent constant (larg utilizată în stabilizatoarele de tensiune in­tegrate monolitice) ai cărei parametri nu sînt afectaţi de variaţiile tensiunii de intrare. Figurile 2.3 e, f, prezintă două exemple. În fig. 2.3 e, se utilizează un tranzistor cu efect de cîmp cu grilă-joncţiune, cu canal n, conectat ca sursă de curent de drenă constant. În fig. 2.3 f sursa de curent constant este constituită din tranzistorul bipo­lar Q, rezistoarele R₁, R₂ şi din dioda Z₁. Tranzistorul şi rezistorul R₁ constituie un repetor pe emitor la intrarea căruia se aplică tensiunea de pe dioda Z₁. Deoarece ten­siunea pe dioda Z₁ nu se modifică semnificativ la varia­ţia tensiunii de intrare, tensiunea pe rezistorul R₁, fiind egală cu tensiunea pe această diodă, nu se modifică. Cum tensiunea pe R₁ este constantă, şi curentul de emitor deci şi cei de colector al tranzistorului Q nu se modifică la variaţia tensiunii de intrare, astfel că punctul de funcţio­nare pe caracteristica I_z=f(V_Z) a diodei Zener Z₂ nu se deplasează atunci cînd tensiunea de intrare variază în limitele v_{i min} … v_{i Max}. Prin această conectare randamen­tul stabilizatorului parametric se îmbunătăţeşte semnifi­cativ.

Graficul prezentat în fig. 2.4, permite alegerea rezis­tenţei de balast R₁ şi a diodei stabilizatoare în funcţie de mărimea tensiunii de ieşire V₀ şi de  mărimea rezis­tenţei de sarcină R_s (în cazul cînd aceasta este variabilă, din mărimea ei minimă R_min=V₀/I_0M).

Pentru alegerea diodelor Zener se remarcă următoa­rele două aspecte: dacă din punctul de vedere al coefi­cientului de temperatură se preferă în montaje diodele cu tensiunea de aproximativ 5 V, atunci din punct de vedere al stabilizării cele mai indicate diode sînt cele cu ten­siunea în jurul a 7 … 9 V, a căror caracteristică I_Z=f(Vz) se apropie de linia verticală. Aceste două aspecte trebuie reţinute deoarece din ele decurg următoarele concluzii importante pentru utilizarea diodelor Zener în montaje de stabilizare,

• în montajele la care curentul care parcurge dioda Zener este „fixat” prin construcţie (cazul surselor de tensiune de referinţă) este mai avantajos să se utilizeze o diodă (sau mai multe diode în serie) a cărei tensiune de cot este în jurul a 5 V, pentru ca montajului să i se asigure o bună stabilitate termică,
• în montajele la care tensiunea de intrare şi curen­tul de ieşire sînt variabile, cea mai bună stabilizare în funcţie de aceşti parametri se obţine cu ajutorul diode­lor cu tensiunea de cot situată între 7 şi 9 V.

* sau rezistenţa dinamică

* La ICCE se fabrică tipul de diodă Zener compensată ROZ 82, A, B, cu tensiunea V_z de 6,2 V ±0,4 V la un curent de 50 mA; P_dMax  = 400 mW; coeficientul de temperatură al acestei diode este sub 0,002%/°C pentru diode clasă A şi sub 0,001%/°C pentru diode clasă B.

În acest caz se poate uşor constata că un coeficient de tem­peratură de 0,002%/°C, corespunde la o creştere de 0,2% a ten­siunii Zener nominale cînd temperatura variază de la 25°C la 125°C ceea ce se traduce printr-o creştere de aproximativ 12 mV a tensiunii nominale de 6,2 V în intervalul de temperatură menţionat.