Stabilizatoare de tensiune – Limitarea curentului de scurtcircuit

3.2.1. Limitarea curentului de scurtcircuit

Înainte de a prezenta principalele circuite de pro­tecţie. folosite, se impune precizarea că o serie de stabi­lizatoare de tensiune sînt autoprotejate prin construcţie în cazul în care „elementul lor serie” este supradimensio­nat pentru a disipa o putere suficientă, iar cîteva exemple vor scoate în evidenţă această precizare.

Fig. 2.2 reprezintă schema de principiu a unui sta­bilizator parametric simplu. Este evident că rezistorul de balast R nu va permite, în caz de scurtcircuit la ieşire, să treacă decît curentul:

I_SC=v_{1 max}/R_l                                                      (3.1)

Dacă R₁ suportă o putere P_d=R₁I²_SC atît sarcina cît şi elementul regulator vor fi protejate.

Înlocuind rezistorul R₁ din exemplul anterior, printr-un tranzistor montat ca sursă de curent constant (fig. 2.3, g), capabil să suporte un curent superior curentu­lui de scurtcircuit, în oaz de suprasarcină la ieşire mon­tajul de asemenea va fi (auto)protejat; soluţia adoptată prezintă şi avantajul diminuării puterii disipate în caz de scurtcircuit.

Cu ajutorul montajului din fig. 3.1 curentul de scurt­circuit devine practic nul. În acest caz, curentul de bază al tranzistorului Q₁, în montaj de generator de curent, este furnizat prin intermediul tranzistorului de protecţie Q₂, normal saturat. În caz de scurtcircuit dioda cu germaniu D₂ devine conductoare şi curentul de bază al lui Q₂ este deturnat la masă, blocîndu-1; prin aceasta se blo­chează şi tranzistorul Q₁.Stabilizatorul tip serie din fig. 3.2. are sursa de refe­rinţă alimentată cu tensiunea stabilizată (aşa-numitul montaj „în aval”). În acest caz, la scurtcircuit la ieşire, sursa de referinţă cade la zero, curentul de scurtcircuit al montajului fiind limitat prin rezistenţa de pornire Ia punerea în funcţiune.

Cea mai simplă metodă de protejare a unui stabiliza­tor de tensiune care acţionează prin limitarea curentului prin elementul regulator rezultă din fig. 3.3.

Atîta timp cît căderea de tensiune la bornele rezis­tenţei R_sc* este mai mică decît tensiunea de deschidere a joncţiunii emitor-bază a tranzistorului Q₂, acesta este blocat şi elementul regulator serie Q₁, funcţionează nor­mal. În cazul în care curentul prin R_SC creşte pînă la o valoare care produce la bornele sale o cădere de tensi­une de ordinul:

                                                                           V_BE =0,6 … 0,7 V                                               (3.2)

tranzistorul Q₂ va conduce şi va deturna spre sarcină o parte din curentul de bază al tranzistorului Q₁. Se va stabili un echilibru astfel că mărimea curentului debitat în sarcină va rămîne aproximativ egală cu:

I_SC=V_BE/RSC≈0,65/R_SC                                                          (3.3)

Curba V₀=f(I₀) a acestui circuit, prezentată în fig. 3.4, este asemănătoare cu caracteristica tensiune-curent a unui alimentator stabilizat, cu caracteristică rectangulară. Tre­buie menţionat că funcţionarea stabilizatorului de tensi­une în regim de limitare în curent este mai puţin efici­entă decît funcţionarea unui stabilizator de curent: de exemplu un stabilizator de tensiune protejat la un curent de cca 1 A, prezintă în zona de funcţionare în regim de limitare în curent, o rezistenţă dinamică de cca 100 Ω valoare care este de cîteva sute de ori mai mică decît mărimea obţinută în cazul unui stabilizator de current, pentru aceeaşi intensitate de current.Pornind de la schema din fig. 3.3, utilizatorul poate dispune de două modalităţi de realizare a protecţiei prin limitarea curentului şi anume:

— să realizeze un stabilizator de tensiune cu mai multe game de limitare (fig. 3.5, a). Pentru aceasta este suficient să se comute diferite valori  ale rezistenţei R_SC.

— să se regleze mai precis curentul de limitare (fig. 3.5. b), prin modificarea tensiunii bazei tranzistorului Q₂ cu ajutorul potenţiometrului P_SC de reglare fină, montat în paralel cu rezistorul R_SC; metoda aceasta nu este indicate decît pentru variaţii în limite mici ale curentului I_SC, deoarece în caz contrar, necesită o cădere de tensiune relative mare la bornele rezistenţei R_SC mai ales în cazul unor curenţi importanţi prin sarcină.

O variant a montajului din fig. 3.3. la dispoziţia utilizatorului este ilustrată din fig. 3.6. În acest caz, diode luminescentă (LED) dispusă în serie cu colectorul tranzistorului Q₂ constituie un mijloc de semnalizare a supracurentului

În locul diodei luminescente poate fi introdus un releu temporizat prvăzut să întrerupă alimentarea stabilizatorului în caz de supra­sarcină, sau în caz de scurtcircuit prelungit; fig. 3.7, prezintă schema electrică a protecţiei realizată conform acestui principiu. În caz de suprasarcină preldngită (care depăşeşte o durată prestabilită cu un circuit de întîrzi ere), releul Rel va decupla la comanda optocuplorului OC, acţionat de curentul de colector al tranzistorului Q₂. După înlăturarea avariei, stabilizatorul se repune în funcţiune prin apăsarea întrerupătorului de rearmare al releului.

Circuitele de limitare a curentului prin caracteristică rectangulară prezintă interes pentru realizarea de surse de tensiune reglabile de laborator, la care, atît randamen­tul, cît şi gabaritul nu sînt esenţiale. Lucrurile se schimbă în cazul blocurilor de alimentare al diverselor aparate şi echipamente şi în special în cazul circuitelor integrate mo­nolitice stabilizatoare, la care disipaţia termică este un factor determinant al calităţii lor. Dezavantajul principal al metodei de limitare descrise rezidă în faptul că în caz de scurtcircuit la ieşire, elementul regulator nu numai că este parcurs de un curent important dar la bornele lui se găseşte aplicată întreaga tensiune de alimentare. De aici rezultă că:

• tranzistorul serie trebuie să fie supradimensionat pentru a suporta cele două situaţii limită menţionate,
• radiatorul pe care este dispus tranzistorul serie, de asemenea, trebuie să fie supradimensionat pentru a nu favoriza străpungerea prin ambalare termică la supra­sarcină prelungită.

Pentru înlăturarea sau atenuarea acestui inconvenient, s-a impus un alt mod de limitare a curentului de ieşire la scurtcircuit, într-o manieră care să forţeze reducerea acestui curent (I_SC) comparativ cu valoarea de declanşare a procesului de limitare (I_0M). S-a realizat aşa-numita protecţie prin întoarcerea caracteristicii*. Schema de prin­cipiu a montajului utilizat în acest scop este dată în fig. 3.8.

Definind în raport cu punctul de masă potenţialele V_X, V_B, V₀, se poate scrie următorul sistem de ecuaţii:

                                                           V_B = [R₂/(R₁+R₂)] V_X                                                        (3.4)

                                                                 V_X = R_SCI₀+V₀                                                             (3.5)

Prin combinarea acestor relaţii se poate determina ten­siunea bază-emitor a tranzistorului Q₂:

                                                               V_BE(Q2) = V_B-V₀

sau

                                       V_BE(Q2) = [R_SCR₂/(R₁+R₂)] I₀ – [R₁/(R₁+R₂)] V₀                                     (3.6)

Din relaţia (3.6) se calculează expresia curentului de cot, I_cot=I_0M (fig. 3.9), adică mărimea curentului la care începe să acţioneze protecţia:

                                       I_0M = (R₁/R_SCR₂) V₀ + [(R₁+R₂)/R_SC R₂] V_BE(Q2)                                     (3.7)

şi curentul de scurtcircuit (pentru V₀=0).

I_SC = [(R₁+R₂)/R₂)] : (V_BE(Q2)/R_SC)

{image}

Fig. 3.9. Caracteristica de ieşire cu reducerea automata a curentului de scurtcircuit (limitare prin întoarcere a curentului de ieşire).

Se vede că I_SC<I_0M (fig. 3.9) şi deci puterea disipată de tranzistorul regulator în regim de scurtcircuit este foarte mică.

În fig. 3.10 se prezintă un alt circuit de reducere automata a curentului de scurtcircuit. El nu diferă demontajul limitator de curent din fig. 3.3 decît prin tranzistorul cu efect de cîmp (Q₃) introdus în paralel cu tranzistorul bipolar Q₂. Poarta acestui tranzistor fiind la masă, atîta timp cît tensiunea drenei sale va fi mai mare decît ten­siunea de blocare pe poartă V_CS(off)), tranzistorul va rămîne blocat şi circuitul va funcţiona ca şi cel din fig. 3.3. Insă, îndată ce tensiunea de ieşire va cădea la o valoare mai mică decît V_CS(off) a tranzistorului cu efect de cîmp, acesta va intra în conducţie şi va pune în scurtcircuit, prin inter­mediul rezistenţei R_SC, baza şi emitorul tranzistorului Q_l şi curentul debitat în sarcină se va micşora. Caracteris­tica V₀=f(I₀), în jurul tensiunii de blocare a tranzistoru­lui Q₃ este reprezentată în fig. 3.11.

Pentru ca montajul să revină în starea normală, după întreruperea scurtcircuitului la ieşire, este necesar ca la ieşire să se aplice o tensiune cel puţin egală cu tensiunea de blocare a tranzistorului cu efect de cîmp Q₂; aceasta se aplică prin intermediul rezistorului R₃.

* Rezistorul R_SC gasindu-se în interiorul buclei de reacţie a stabilizatorului de tensiune, căderea de tensiune la bornele lui este compensate şi nu influenţează decît în foarte mica măsură rezistenţa dinamică de ieşire.

* Fold-back (engl.)