+ All Categories
Home > Documents > CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Date post: 05-Jul-2015
Category:
Upload: octav-bdo
View: 1,298 times
Download: 11 times
Share this document with a friend
29
Surse de alimentare 1 Surse de alimentare stabilizate Introducere O sursă de alimentare (power supply) este un dispozitiv care furnizează energie electrică uneia sau mai multor sarcini electrice. Termenul este folosit în general pentru acele dispozitive care efectuează conversia dintre două forme de energie, dar se poate utiliza și în cazul dispozitivelor care convertesc o altă formă de energie (mecanică, solară, chimică) în energie electrică. O sursă de alimentare stabilizată (regulated power supply) este o sursă de alimentare care controlează tensiunea și curentul de ieșire la o valoare specifică, această valoare fiind ţinută relativ constantă în raport cu variaţiile curentului de sarcină sau a tensiunii de alimentare furnizate de către sursa de energie electrică a sursei de alimentare. Figura 1. Schema bloc a modului de utilizare a unei surse de alimentare Sursa de energie electrică necesară furnizării curentului de funcţionare a sursei de alimentare și a sarcinii electrice poate fi : - sursă electrică (AC sau DC); - dispozitiv de stocare a energiei electrice (baterii); - dispozitive electromecanice (generatoare sau alternatoare); - panouri solare. Regulatoarele de tensiune sunt caracterizate de următorii parametrii : - cantitatea de tensiune și de curent furnizate; - durata furnizării energiei electrice fără realimentare sau reîncărcare (valabil pentru sursele de energie portabile); - stabilitatea tensiunii și curentului furnizat în diferite condiţii de sarcină; - furnizarea de energie continuă sau în impulsuri. Regulatoarele de tensiune pot fi împărţite în regulatoare convenţionale (sau liniare) și regulatoare în comutaţie. Regulatoarele clasice sunt relativ simple dar devin din ce în ce mai voluminoase și grele pe măsură ce curentul necesar a fi furnizat către sarcină este mai mare, datorită necesităţii utilizării unor transformatoare și radiatoare mari. Regulatoarele clasice realizează stabilizarea tensiunii de ieșire pe baza principiului divizării de tensiune, ceea ce determină un consum de energie și, implicit, o eficienţă redusă. Sursele în comutaţie cu aceiași parametrii funcţionali ca ai unei surse liniare au un volum relativ mult mai mic, o eficienţă superioară dar sunt mult mai complexe. Sursele de alimentare cu baterii sunt independente de reţeaua de alimentare cu energie electrică și sunt potrivite pentru aplicaţii portabile. Bateria constă dintr-un număr de celule electrochimice conectate în serie pentru a putea furniza tensiunea dorită. Bateriile pot fi primare (neutilizabile după descărcare) sau secundare (acumulatori cu reîncărcare, reutilizabili). Bateriile primare utilizate iniţial au avut la bază cellule uscate cu carbon-zinc, furnizând o tensiune de 1,5V. Bateriile ulterioare au fost fabricate astfel încât să menţină tensiunea de 1,5V pe celulă. Bateriile alcaline oferă o energie superioară pe unitatea de masă. Bateriile secundare sunt realizate în diferite tehnologii, cele mai utilizate fiind nichel-metal-hidrid (NiMH), litiu-ion sau alte variante. Sursele de alimentare de curent continuu utilizează transformatorare care convertesc tensiunea alternativă de reţea la o valoare mult redusă (figura 2). Ulterior, se utilizează un circuit de redresare pentru a transforma tensiunea alternativă în tensiune pulsatorie, aceasta fiind ulterior filtrată prin intermediul unui filtru (R, L, C) pentru a elimina efectul pulsatoriu. Indiferent de parametrii filtrului, tensiunea filtrată va conţine o componentă pulsatorie remanentă având frecvenţa egală sau dublă faţă de frecvenţa reţelei, în
Transcript
Page 1: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 1

Surse de alimentare stabilizate

Introducere

O sursă de alimentare (power supply) este un dispozitiv care furnizează energie electrică uneia sau mai multor sarcini electrice.

Termenul este folosit în general pentru acele dispozitive care efectuează conversia dintre două forme de energie, dar se poate utiliza și în cazul dispozitivelor care convertesc o altă formă de energie (mecanică, solară, chimică) în energie electrică.

O sursă de alimentare stabilizată (regulated power supply) este o sursă de alimentare care controlează tensiunea și curentul de ieșire la o valoare specifică, această valoare fiind ţinută relativ constantă în raport cu variaţiile curentului de sarcină sau a tensiunii de alimentare furnizate de către sursa de energie electrică a sursei de alimentare.

Figura 1. Schema bloc a modului de utilizare a unei surse de alimentare Sursa de energie electrică necesară furnizării curentului de funcţionare a sursei de alimentare și a

sarcinii electrice poate fi : - sursă electrică (AC sau DC); - dispozitiv de stocare a energiei electrice (baterii); - dispozitive electromecanice (generatoare sau alternatoare); - panouri solare. Regulatoarele de tensiune sunt caracterizate de următorii parametrii : - cantitatea de tensiune și de curent furnizate; - durata furnizării energiei electrice fără realimentare sau reîncărcare (valabil pentru sursele de

energie portabile); - stabilitatea tensiunii și curentului furnizat în diferite condiţii de sarcină; - furnizarea de energie continuă sau în impulsuri. Regulatoarele de tensiune pot fi împărţite în regulatoare convenţionale (sau liniare) și regulatoare în

comutaţie. Regulatoarele clasice sunt relativ simple dar devin din ce în ce mai voluminoase și grele pe măsură ce curentul necesar a fi furnizat către sarcină este mai mare, datorită necesităţii utilizării unor transformatoare și radiatoare mari. Regulatoarele clasice realizează stabilizarea tensiunii de ieșire pe baza principiului divizării de tensiune, ceea ce determină un consum de energie și, implicit, o eficienţă redusă. Sursele în comutaţie cu aceiași parametrii funcţionali ca ai unei surse liniare au un volum relativ mult mai mic, o eficienţă superioară dar sunt mult mai complexe.

Sursele de alimentare cu baterii sunt independente de reţeaua de alimentare cu energie electrică și sunt potrivite pentru aplicaţii portabile. Bateria constă dintr-un număr de celule electrochimice conectate în serie pentru a putea furniza tensiunea dorită. Bateriile pot fi primare (neutilizabile după descărcare) sau secundare (acumulatori cu reîncărcare, reutilizabili). Bateriile primare utilizate iniţial au avut la bază cellule uscate cu carbon-zinc, furnizând o tensiune de 1,5V. Bateriile ulterioare au fost fabricate astfel încât să menţină tensiunea de 1,5V pe celulă. Bateriile alcaline oferă o energie superioară pe unitatea de masă. Bateriile secundare sunt realizate în diferite tehnologii, cele mai utilizate fiind nichel-metal-hidrid (NiMH), litiu-ion sau alte variante.

Sursele de alimentare de curent continuu utilizează transformatorare care convertesc tensiunea alternativă de reţea la o valoare mult redusă (figura 2). Ulterior, se utilizează un circuit de redresare pentru a transforma tensiunea alternativă în tensiune pulsatorie, aceasta fiind ulterior filtrată prin intermediul unui filtru (R, L, C) pentru a elimina efectul pulsatoriu. Indiferent de parametrii filtrului, tensiunea filtrată va conţine o componentă pulsatorie remanentă având frecvenţa egală sau dublă faţă de frecvenţa reţelei, în

Page 2: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

2 Cristian Molder

funcţie de tipul redresării. Acest efect nu reprezintă o problemă în cazul aplicaţiilor precum încărcarea unor acumulatori.

Figura 2. Configuraţii de redresare a tensiunii alternative pentru regulatoare de tensiune liniare

Regulatoarele de tensiune în comutaţie au un principiu de funcţionare diferit de cele clasice. Tensiunea alternativă de intrare este redresată direct, fără utilizarea unui transformator, pentru a obţine o tensiune continuă. Această tensiune este apoi pornită și oprită (comutată) în mod repetat la o viteză foarte mare prin intermediul unor circuite electronice de comutaţie, obţinându-se impulsuri de tensiune. Impulsurile de tensiune sunt trecute, în final, printr-o bobină sau un transformator cu dimensiune mult mai mică în raport cu transformatoarele utilizate în sursele clasice. Factorul de umplere (duty cycle) al impulsurilor de ieșire este modificat în funcţie de necesarul de putere la ieșire. Regulatoarele în comutaţie sunt întotdeauna redresate, iar utilizarea unui transformator de mare frecvenţă asigură separarea galvanică între sarcină și tensiunea de reţea, asigurând siguranţa în funcţionare.

Comutarea tensiunii de intrare este efectuată la frecvenţe cuprinse între 10 kHz și 1 MHz. Valorile mari ale frecvenţei și tensiunii commutate permit utilizarea unor transformatoare și condensatori cu dimensiuni reduse în raport cu sursele de alimentare clasice. La ieșirea transformatorului, tensiunea alternativă este din nou redresată într-o tensiune continuă. Pentru menţinerea constantă a valorii tensiunii de ieșire a sursei, este necesară utilizarea unui circuit de reacţie care monitorizează permanent curentul din sarcină.

Regulatoarele de tensiune în comutaţie dispun de circuite de limitare a curentului sau circuite de șuntare în scopul protecţiei sarcinii. În cazul detectării unui curent de sarcină mare, sursa presupune existenţa unui scurtcircuit la ieșire, decuplându-se automat.

Regulatoarele în comutaţie au o valoare limită minimă a curentului de ieșire, valoare sub care aceste surse nu pot opera. În cazul în care sursa funcţionează în gol (fără sarcină la ieșire), circuitul de comutaţie crește foarte mult frecvenţa de comutaţie, determinând ca transformatorul să acţioneze ca o bobină Tesla, cauzând datorate vârfurilor de tensiune foarte mari. În cazul în care sursa este prevăzută cu circuite de protecţie, acestea pot cupla pentru o perioadă foarte scurtă, după care decuplează total sursa atunci când nu este detectată o sarcină. Se pot utiliza, de asemenea, sarcini electrice de putere redusă, precum rezistenţe ceramice, care permit funcţionarea sursei în lipsa unei sarcini.

Prin decuparea tensiunii alternative sinusoidale în foarte mici porţiuni discrete, un procent din curentul alternativ neutilizat rămâne în reţeaua de alimentare sub forma unor mici vârfuri de putere care nu pot fi utilizate de către motoarele de current alternative, fapt care determină încălzirea transformatoarelor de putere din reţeaua de alimentare cu energie electrică. Existenţa unui număr foarte mare de surse de alimentare în comutaţie într-o clădire poate duce la o calitate slabă a energiei electrice pentru utilizatorii din vecinătatea clădirii respective, precum și la o valoare mai mare a facturii de energie electrică în cazul în care aceasta este determinată pe baza factorului de putere în deterimentul puterii reale consumate. Pentru eliminarea acestor efecte negative, este necesară utilizarea unor baterii de condensatoare de filtrare dispuse în clădire pentru suprimarea vârfurilor de putere.

Regulatoarele de tensiune (voltage regulators) sunt circuite electronice care, în mod ideal, asigură la ieșire un nivel constant de tensiune, indiferent de variaţia altor parametrii, precum: tensiunea de intrare, temperatura sau curentul de sarcină. Regulatoarele de tensiune pot fi realizate în structură simplă de tip ”feed-forward” sau cu circuite de control prin buclă de reacţie. De asemenea, pot utiliza mecanisme electromecanice sau componente electronice. În funcţie de proiectare, stabilizatoarele de tensiune pot stabiliza una sau mai multe tensiuni alternative sau continue.

Page 3: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 3

Regulatoarele de tensiune sunt caracterizate printr-un set de parametrii funcţionali, precum: - coeficientul de stabilizare al tensiunii de ieșire cu sarcina (load regulation) – variaţia tensiunii de

ieșire pentru o anumită valoare a curentului de sarcină (uzual între 15mV și 100mV pentru curenţi de sarcină între 5mA și 1,4A, la o anumită temperatură și tensiune de ieșire);

KL = ΔUO/ΔIO [mV/mA sau mV/A]

- coeficientul de stabilizare al tensiunii de ieșire cu tensiunea de intrare (line regulation sau input regulation) – variaţia tensiunii de ieșire în raport cu variaţia tensiunii de intrare a regulatorului de tensiune (de exemplu, 13mV/V) sau în raport cu întregul domeniu al tensiunii de intrare (de exemplu, ±2% pentru tensiuni de intrare între 90V și 260V, 50 Hz);

KU = ΔUO/ΔUI [mV/V sau μV/V] - coeficientul mediu de stabilizare termică (temperature coefficient) – variaţia tensiunii de ieșire

în raport cu variaţia temperaturii;

KT = ΔUO/ΔT [mV/°C] - precizia iniţială a tensiunii de ieșire (initial accuracy sau voltage accuracy) – eroarea valorii

tensiunii de ieșire a unui stabilizator fix, fără a lua în consideraţie influenţa temperaturii sau îmbătrânirii;

- căderea de tensiune pe stabilizator (dropout voltage) – diferenţa dintre tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire a stabilizatorului pentru care acesta furnizează curentul de ieșire specificat.

VD = UI – IO [V]

Puterea disipată pe stabilizator poate fi, de asemenea, exprimată sub forma VD x IO [W];

- riplul tensiunii de ieșire (output ripple) – mărimea variaţiei amplitudinii tensiunii de ieșire între valoarea minimă și cea maximă pentru o perioadă de timp la o frecvenţă dată, exprimată sub forma valorii medii pătratice (mVRMS) sau a tensiunii vârf-la-vârf (mVP-P);

- stabilitatea tranzitorie (transient recovery) – reprezintă timpul de reacţie necesar stabilizării atunci când există o variaţie bruscă a curentului de sarcină (load transient) sau a tensiunii de intrare (line transient);

- timpul de remanenţă (hold-up time) – timpul (măsurat în ms) în care stabilizatorul de tensiune menţine în parametrii nominali tensiunea de ieșire după întreruperea tensiunii de intrare;

- eficienţa (efficiency) – raportul dintre puterea de ieșire și puterea de intrare a stabilizatorului;

E = PO/PI [%] - densitatea volumetrică de putere (volume power density) – cantitatea de putere raportată la

unitatea de volum [W/m3]; Pornind de la parametrii caracteristici, regulatoarele de tensiune în comutaţie au valori superioare

ale eficienţei și densităţii de putere în raport cu regulatoarele clasice, liniare. În schimb, coeficienţii de stabilizare mai buni sunt specifici regulatoarelor liniare.

Tabelul 1. Parametri comparativi ai regulatoarelor de tensiune liniare și în comutaţie

Parametru Regulatoare liniare Regulatoare în comutatie Stabilizarea tensiunii de iesire cu sarcina 0,02%-0,05% 0,05%-0,1% Stabilizarea tensiunii de iesire cu tensiunea de intrare 0,02%-0,1% 0,1%-1,0% Riplul tensiunii de iesire 0,5 mV-2 mVRMS 10 mV-100 mVP-P Eficientă 40%-50% 60%-95% Densitate volumetrică de putere 8 W/cm3 32W-170 W/cm3 Stabilitatea tranzitorie 50 us 300 us Timpul de remanentă 2 ms 34 ms

Page 4: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

4 Cristian Molder

Regulatoarele de tensiune liniare sunt dispozitive care au la bază componente active (tranzistori bipolari sau cu efect de câmp) care funcţionează în regiunea liniară a caracteristicilor acestora, sau componente pasive (diode Zener) care funcţionează în regiunea inversă de străpungere nedistructivă. Ultimele poartă denumirea de stabilizatoare de tensiune. Componenta stabilizatoare are comportamentul unui rezistenţe variabile care ajustează continuu o reţea divizoare de tensiune în scopul menţinerii constante a tensiunii de ieșire. În comparaţie cu regulatoarele în comutaţie, eficienţa surselor liniare este mult redusă datorită diferenţei de tensiune de pe divizorul rezistiv care este dispată sub formă de căldură.

Figura 3. Configuraţii de regulatoare de tensiune liniare

Regulatoarele de tensiune liniare pot fi clasificate în două mari categorii (figura 3): - regulatoare liniare de tip serie (series regulators) – sunt cele mai întâlnite, având ca principiu

de funcţionare transmiterea curentului către sarcină prin intermediul unei rezistenţe variabile (componenta electronică se află situată în jumătatea superioară a divizorului de tensiune). Puterea disipată de către stabilizator este egală cu produsul dintre curentul furnizat de sursa de energie electrică și căderea de tensiune de pe stabilizator;

- regulatoare liniare de tip paralel sau șunt (shunt regulators) – funcţionează pe principiul similar regulatoarelor de tip serie, dar componenta electronică se află situată în jumătatea inferioară a divizorului de tensiune. O parte din curent este deviat prin stabilizator și cuplat la masă, în acest fel stabilizatorul de tip șunt fiind mult mai ineficient decât cel de tip serie. Este, totuși, mai simplu de implementat, în majoritatea cazurilor fiind necesară doar o simplă diodă de tip Zener cu rol de referinţă de tensiune, utilitatea fiind doar în cazul circuitelor de mică putere, care operează la curenţi mici.

Regulatoarele de tensiune utilizează un tranzistor în regim de amplificare pentru modificarea valorii tensiunii de ieşire în funcţie de eroarea detectată. Elementul regulator poate fi plasat fi în serie cu sarcina, fie în paralel cu aceasta. Regulatorul de tip serie este cel mai utilizat. Tranzistorul bipolar sau FET care produce căderea de tensiune între intrare şi ieşire este comandat de către un amplificator de eroare care compară permanent o fracţiune din tensiunea de ieşire (obţinută de la un divizor rezistiv) cu o tensiune de referinţă (figura X). Reglajul automat presupune compensarea continuă a eventualelor variaţii ale tensiunii de ieşire prin acţionarea asupra tensiunii din baza tranistorului. Dezavantajul principal al acestui tip de montaj îl reprezintă faptul că o putere importantă se pierde pe tranzistor :

PT = (VI – VO) IO

Randamentul regulatorului, = VO/VI, este redus dacă tensiunea de ieşire este cu mult diferită de

tensiunea de intrare. Avantajele regulatorului liniar serie sunt date de stabilitatea ridicată în raport cu variaţiile sarcinii, răspunsul rapid la perturbaţii, precum şi riplul redus al tensiunii de ieşire.

Toate regulatoarele de tensiune liniare necesită o tensiune de intrare cu cel puţin un procent mai mare decât tensiunea de ieșire dorită. Acest procent reprezintă căderea de tensiune pe regulator (dropout voltage) și este unul din parametrii principali ai stabilizatoarelor liniare. De exemplu, regulatoarele din familia 78xx necesită o cădere de tensiune de minim 2 V. Atunci când regulatoarele funcţionează cu o cădere de tensiune sub valoarea de 2 V, ele poartă denumirea de regulatoare cu cădere mică de tensiune (LDOs – low dropout regulators).

Regulatoarele de tensiune liniare nu pot furniza tensiuni de ieșire mai mari decât tensiunea de intrare, în acest caz fiind necesară doar utilizarea regulatoarelor de tensiune în comutaţie.

Page 5: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 5

Stabilizatoare de tensiune

Cel mai simplu stabilizator de tensiune liniar de tip serie are ca element principal o diodă de tip Zener care funcţionează în polarizare inversă, menţinând constantă căderea de tensiune VZ pe aceasta atunci când curentul prin diodă IZ este suficient de mare astfel încât să ducă regimul de funcţionare în regiunea de străpungere (figura 4). Rezistenţa RZ are rolul de a furniza curentul prin diodă și cel din sarcină IO.

RZ = (VI – VZ) / (IZ + IO)

Acest tip de stabilizator este utilizat în aplicaţii în care curenţii sunt mici, iar sarcina este cuplată

permanent în paralel cu dioda Zener. În cazul în care rezistenţa RZ este scoasă din circuit, curentul prin diodă poate crește la valori peste valoarea maximă admisă, ducând la distrugerea acesteia. Stabilizarea tensiunii nu este foarte bună deoarece curentul invers prin diodă IZ și, implicit, tensiunea VZ depinde direct proporţional cu tensiunea de alimentare VS și invers proporţional cu curentul de sarcină IO.

Figura 4. Regulator de tensiune liniar de tip șunt cu diodă Zener

Atunci când se dorește mărirea curentului de sarcină, se poate introduce în schemă un tranzistor cu rol de repetor pe emitor a cărui bază este conectată la dioda Zener (figura 5). Tensiunea aplicată pe sarcină este egală cu diferenţa dintre tensiunea de polarizare a diodei Zener și tensiunea bază-emitor VBE a tranzistorului (VO = VZ – VBE = VZ – 0.65V). Rezistenţa RZ poate fi determinată cu ajutorul relaţiei:

RZ = (VI – VZ) / (IZ + kIB)

unde k = 1,2 ... 2 este un coeficient de ponderare care asigură o valoare suficient de mică a rezistenţei R1 pentru un curent de bază IB corespunzător. În același timp, curentul IB din baza tranzistorului este mult mai mic decât cel de sarcină, reducând astfel curentul IZ din dioda Zener (IB = IL / hFE).

Figura 5. Stabilizator de tensiune liniar de tip serie cu tranzistor repetor pe emitor

Tranzistoarele de putere au un coeficient de amplificare în curent destul de redus. Prin urmare,

pentru mărirea curentului de ieşire, se poate utiliza un montaj de tip Darlington cu două tranzistoare care să înlocuiască tranzistorul simplu (figura 6). Factorul de amplificare al curentului din baza tranzistorului Q1 este egal cu hFE1hFE2 + hFE1 + hFE2.

Circuitele cu tranzistor asigură o mai bună stabilizare a tensiunii decât simpla utilizare a diodei Zener, dar sunt, de asemenea, susceptibile la variaţiile curentului de sarcină și tensiunii de intrare. De asemenea, un scurtcircuit la ieşirea stabilizatorului duce la distrugerea tranzistorului. Aceste inconveniente pot fi eliminate prin utilizarea unor circuite cu reacţie negativă.

Page 6: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

6 Cristian Molder

Figura 6. Stabilizator de tensiune liniar de tip serie cu montaj de tip Darlington

Stabilizatorul de tensiune din figura 7 este destinat stabilizării tensiunii de ieșire în limite reglabile prin intermediul unei divizor rezistiv format din R1 și R2. Tranzistorul QC furnizează curentul de sarcină, în timp ce tranzistorul QR stabilizează tensiunea de ieșire. Tranzistorul QR monitorizează tensiunea de ieșire VO prin intermediul divizorului rezistiv și ajustează curentul din baza tranzistorului QC astfel încât o cantitate suficientă de current să fie transmisă divizorului rezistiv R1–R2. Valoarea tensiunii se poate determina pe baza relaţiei:

VO = (1 + R1/R2)(VZ + 0,65 V) pentru R1||R2 << hFE 1kΩ și 1kΩ << hFE (R1 + R2)||RL, iar rezistenţa de sarcină RL să fie de ordinul 10 kΩ.

Figura 7. Stabilizator de tensiune liniar de tip serie ajustabil cu circuit de reacţie

Curentul prin divizorul rezistiv VO/(R1 + R2) este monitorizat de către baza tranzistorului QR. Tensiunea de ieșire VO este stabilizată în oricare din cele două posibile situaţii, după cum urmează:

(i) Dacă tensiunea de pe rezistenţa R2 (tensiunea din baza tranzistorului QR) este mai mare decât VZ + 0,65 V, tranzistorul QR mărește curentul prin rezistenţa de 1kΩ, ceea ce determină scăderea tensiunii din baza tranzistorului QC. Prin urmare, tensiunea din bază se apropie de cea din emitorul lui QC, reducând curentul din emitorul acestuia și, implicit, curentul furnizat rezistenţelor R1 și R2. Acest lucru determină reducerea tensiunii de pe rezistenţa R2 către valoarea stabilă VZ + 0,65V.

(ii) Dacă tensiunea de pe rezistenţa R2 (tensiunea din baza tranzistorului QR) este mai mică decât VZ + 0,65 V, tranzistorul QR scade curentul prin rezistenţa de 1kΩ, ceea ce determină creșterea tensiunii din baza tranzistorului QC. Prin urmare, tensiunea din bază se mărește de cea din emitorul lui QC, crescând curentul din emitorul acestuia și, implicit, curentul furnizat rezistenţelor R1 și R2. Acest lucru determină creșterea tensiunii de pe rezistenţa R2 către valoarea stabilă VZ + 0,65V.

Page 7: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 7

Figura 8. Stabilizator de tensiune liniar de tip serie ajustabil cu limitare de curent

Rezistenţa RZ este aleasă pentru a furniza curentul IZ necesar diodei Zener. Curentul IZ este suma dintre curentul din emitorul tranzistorului QR și curentul din rezistenţa RZ. Prin urmare, rezistenţa RZ se alege astfel încât să fie satisfăcută relaţia următoare:

IZ = [VI – (VO + 0,65V)]/1kΩ + (VI – VZ)/RZ Curentul total de intrare IO consumat de către stabilizator este rezultat ca sumă dintre curentul IZ

din dioda Zener, curentul IR din divizorul rezistiv și curentul de sarcină IO. Circuitul din figura 5 are dezaantajul că nu poate limita valoarea maximă a curentul de sarcină IO, având o caracteristică de stabilitate foarte slabă la variaţia sarcinii, în special în cazul unui scurtcircuit.

Circuitul din figura 8 reprezintă o versiune modificată a circuitului anterior, prin introducerea tranzistorului QCL cu rol de decuplare a tensiunii de ieșire pentru un curent de sarcină ce depășește o valoare limită impusă. În timpul funcţionării normale, tranzistorul QCL este blocat și, prin urmare, poate fi eliminat din analiza schemei. Atunci când curentul de sarcină IL este suficient de mare astfel încât să determine apariţia căderi de tensiune pe rezistenţa RCL superioare valorii de 0,5V, tranzistorul QCL începe să se deschidă, mărind curentul din rezistenţa de 1 kΩ și reducând tensiunea din baza tranzistorului QC. Prin urmare, curentul emitor-colector al tranzistorului QC scade, iar tensiunea de ieșire scade astfel încât tensiunea bază-emitor a tranzistorului QC să rămână la valoarea de 0,65V. Totodată, tranzistorul QR intră în blocare, iar QCL preia integral controlul asupra lui QC. Tranzistorul QCL nu va permite creșterea tensiunii bază-emitor peste valoarea de 0,65V, astfel încât curentul de sarcină va avea valoarea limită maximă:

ISC = 0,65V/RCL

Figura 9. Stabilizator de tensiune liniar de tip serie ajustabil cu limitare de curent

Page 8: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

8 Cristian Molder

Stabilizatorul cu limitare de curent funcţionează bine doar în cazul în care curentul de sarcină nu este maxim, caz în care ieșirea este în scurtcircuit, iar stabilizatorul este forţat să disipe o cantitate mare de căldură.

Schema din figura 9 permite unui curent de scrutcircuit mai mic decât curentul de sarcină maxim. Această modificare oferă un grad sporit de siguranţă, un coeficient de stabilizare cu sarcina superior și protejează stabilizatorul faţă de disiparea de căldură la scurtcircuit.

Tranzistorul QCL este înlocuit cu tranzistorul QFB, conectarea acestuia fiind diferită doar în ceea ce privește baza. În loc să detecteze direct căderea de tensiune pe rezistenţa RS, baza tranzistorului QFB este conectată la un divizor rezistiv R3-R4, astfel încât devine activ la valoare diferită de cea a tranzistorului QCL.

Deoarece divizorul rezistiv R3-R4 consumă un curent suplimentar, curentul consumat va fi mai mare decât în cazul limitatorului de curent precedent. Curentul de sarcină la scurtcircuit ISC, precum și curentul maxim IFB sunt determinate de valoarea rezistenţei RS, astfel:

RS = VO/[ISC(1+VO/0,65V) – IFB]

Valoarea rezistenţelor din divizorul rezistiv R3–R4 trebuie astfel alese, încât:

R3/R4 = RS ISC / 0,65V – 1 pentru R3||R4 << hFE 1kΩ și 1kΩ << hFE (R3+R4). Prin alegerea corespunzătoare a rezistenţelor RS, R3 și R4, utilizatorul poate mări valoarea curentului IFB faţă de curentul de scurtcircuit ISC. Puterea dispată pe stabilizator este relativ constantă pentru sarcini care necesită curenţi de sarcină IO mai mari decât IFB.

Regulatoare de tensiune liniare

Un regulator de tensiune liniar de tip serie este construit dintr-un element de reglaj (tranzistor) conectat în serie cu sarcina, o referinţă de tensiune (de exemplu, o diodă Zener) şi un amplificator diferenţial care compară tensiunea de ieşire (sau un procent din aceasta) cu tensiunea de referinţă şi comandă tranzistorul.

Cel mai simplu mod de a implementa un amplificator are la bază utilizarea unui amplificator operaţional (figura 10).

Figura 10. Schema de principiu a regulatorului liniar serie cu amplificator operaţional Amplificatorul operaţional funcţionează în regim liniar datorită reacţiei obţinute cu ajutorul

rezistenţelor R1 şi R2. În mod ideal, atunci când cele două tensiuni de intrare sunt egale, rezultă o tensiune de ieşire cu valoarea :

VO = (1 + R1/R2)VREF

Prin urmare, tensiunea de ieşire nu depinde de tensiunea de intrare şi nici de curentul de ieşire. O altă variantă a montajului este înlocuirea amplificatorului operaţional şi a tranzistorului cu un amplificator operaţional de putere în schemă de amplificator cu reacţie neinversor, tensiunea de referinţă VREF fiind furnizată extern (figura 11).

Page 9: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 9

Figura 11. Schema de principiu a regulatorului liniar serie cu amplificator operaţional de putere

Referinţa de tensiune poate fi construită fie cu ajutorul unei diode Zener (figura 12), fie cu un generator intern de tip bandgap (de 1,25V) compensat în temperatură.

Figura 12. Reglajul tensiunii de ieşire prin intermediul unui potenţiometru

Reglajul tensiunii de ieşire poate fi efectuat prin înlocuirea rezistenţei R1 cu un potenţiometru, caz în care tensiunea de ieşire va avea valoarea :

VO = (1 + P1/R2)VZ

O altă variantă de reglaj a tensiunii de ieşire este introducerea unei rezistenţe variabile în paralel cu

sursa tensiunii de referinţă (figura 13). În această situaţie, tensiunea de ieşire va fi :

VO = (1 + R1/R2)ßVZ

Figura 13. Schema de principiu a regulatorului liniar serie cu amplificator operaţional

Dezavantajul acestui montaj este faptul că stabilizatorul cu diodă Zener furnizează curentul necesar potenţiometrului P, ceea ce duce la o valoare mare a rezistenţei acestuia. Totodată, valoarea trebuie să fie limitată pentru ca montajul să nu fie influenţat de curentul de polarizare al amplificatorului operaţional.

Page 10: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

10 Cristian Molder

Regulatoare de tensiune liniare fixe

Regulatoarele de tensiune liniare pot fi construite pe baza unor componente electronice discrete, dar se regăsesc de cele mai multe ori sub forma unor circuite integrate specializate. Cele mai cunoscute sunt circuitele integrate cu trei terminale, încapsulate în capsule de tip TO-39, TO-92, TO-220 sau TO-3, în funcţie de curentul de sarcină maxim furnizat (figura 14). În cazul în care curentul furnizat de amplificatorul operaţional de putere este suficient de mare (de ordinul a câţiva amperi), tranzistorul poate lipsi.

Figura 14. Capsule de circuite integrate stabilizatoare de tensiune liniare cu trei terminale În figura 15 este prezentată schema bloc generală a regulatoarelor de tensiune cu trei terminale.

Acestea sunt compuse dintr-un amplificator de eroare care compară permanent o tensiune de referinţă cu o fracţie din tensiunea de ieşire obţinută cu ajutorul divizorului rezistiv RA-RB. Amplificatorul de eroare furnizează comanda necesară în baza tranzistorului serie de ieşire pentru a menţine constantă valoarea tensiunii de ieşire, indiferent de variaţiile tensiunii de intrare sau a curentului de ieşire.

Pentru a furniza o tensiune de referinţă stabilă, imună la variaţiile tensiunii de intrare sau ale temperaturii, referinţa de tensiune internă este alimentată de obicei de la o sursă de curent constant. Dacă sursa de curent nu are pornire automată, este necesară utilizarea unui circuit de pornire suplimentar. Suplimentar blocurilor prezentate, majoritatea regulatoarelor de tensiune dispun de circuite de protecţie la scurtcircuite accidentale, la diferenţe mari între tensiunea de intrare şi cea de ieşire sau la supraîncălzire.

Referinţa de tensiune reprezintă cea mai importantă componentă a unui regulator de tensiune, deoarece comportamentul acesteia determină comportamentul tensiunii de ieşire. Prin urmare, referinţa de tensiune trebuie să fie stabilă, lipsită de zgomot şi deviaţie termică redusă. De asemenea, trebuie să fie reproductibilă, cu o foarte mică variaţie a valorii tensiunii de referinţă de la un dispozitiv la altul. Cele mai utilizate referinţe în regulatoarele de tensiune sunt diodele Zener şi de tip bandgap, cele din urmă fiind cele mai puţin zgomotoase.

Figura 15. Schema bloc a regulatoarelor de tensiune liniare integrate cu trei terminale

Page 11: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 11

Sursele de curent pot fi realizate cu uşurinţă în circuitele integrate monolitice. Funcţionarea circuitelor la niveluri constante de curent reduce fluctuaţiile datorate variaţiilor tensiunii de intrare. Amplificatorul de eroare funcţionează, de asemenea, la un curent constant pentru a reduce erorile şi offsetul la ieşire. Totodată, operarea la curent constant permite asigurarea unui curent intern (quiescent current) constant la variaţiile tensiunii de intrare şi ale temperaturii.

Circuitele de protecţie asigură robusteţea regulatorului şi imunitatea acestuia la diferite tipuri de supraîncărcare. Acestea protejează regulatorul împotriva scurtcircuitelor (limită de curent), împotriva diferenţelor mari dintre tensiunea de intrare şi cea de ieşire (tensiune diferenţială) şi împotriva unor temperaturi excesive ale joncţiunii tranzistorului serie (limită termică).

Amplificatorul de eroare din compunerea unui regulator de tensiune poate exista sub forma unui singur sau mai multor etaje de amplificare, în funcţie de performanţele regulatorului. Modul de utilizare este acela al unui amplificator operaţional în montaj cu reacţie negativă, tensiunea de referinţă fiind conectată la intrarea neinversoare, iar semnalul de reacţie este preluat prin intermediul unui divizor rezistiv de la tensiunea de ieşire şi introdus la intrarea inversoare. Tensiunea la ieşirea amplificatorului de eroare este:

VAO = VREF [A/(1+A)] / ß unde A este câştigul amplificatorului, iar ß este factorul de divizare ale divizorului rezistiv. Deoarece amplificatorul operaţional funcţionează în saturaţie, tensiunea de la ieşirea acestuia se poate aproxima cu relaţia VAO = VREF/ß.

Elementul serie de ieşire este dimensionat în funcţie de curentul maxim de ieşire şi tensiunea de maximă de intrare ale regulatorului. De exemplu, în cazul regulatoarelor 78xx şi 79xx, tranzistorul de ieşire ocupă circa jumătate din suprafaţa substratului. Unul din beneficiile includerii unui tranzistor serie de ieşire este faptul că circuitul integrat va avea în final doar trei terminale. Mai mult, protecţiile la supracurent şi cea termică pot fi încorporate în capsula integratului în imediata vecinătate a tranzistorului serie.

În funcţie de configuraţia tranzistorului de ieşire, căderea de tensiune pe regulator diferă. Astfel, regulatoarele liniare pot fi de tip standard, LDO (low-droput) şi quasi-LDO (figura 16). Regulatoarele de tip standard utilizează o configuraţie NPN de tip Darlington care determină o cădere de tensiune curpinsă între 1,5V şi 2,2V (2VBE + VCE). Regulatoarele de tip LDO (cu cădere mică de tensiune) au o configuraţie PNP simplă şi o cădere de tensiune între 0,6V şi 0,8V (VCE). O variantă a tipului LDO, denumită quasi-LDO, utilizează o configuraţie cu un tranzistor NPN şi un tranzistor PNP, determinând o cădere de tensiune de circa 1,5V (VBE + VCE).

Figura 16. Configuraţii ale tranzistorului de ieşire pentru regulatoare liniare de tensiune

Regulatoarele standard sunt utile în aplicaţii care sunt alimentate de la tensiuni alternative, având un cost scăzut şi curenţi mari de sarcină. Regulatoarele LDO sunt cel mai utile în cazul aplicaţiilor cu alimentare de la baterii sau acumulatori, deoarece căderea mică de tensiune pe regulator permite un număr redus de celule şi o disipare mai mică a puterii determinate de produsul dintre curentul de sarcină şi căderea de tensiune pe regulator.

Regulatoarele de tensiune liniare fixe cu trei terminale pot furniza tensiuni nominale pozitive sau negative și curenţi de sarcină de până la 1A. Cea mai cunoscută familie este seria 78xx (pentru tensiuni pozitive) și seria 79xx (pentru tensiuni negative), unde ultimii doi digiţi din codul denumirii (xx) reprezintă valoarea tensiunii stabilizate (de exemplu, 7805 pentru +5V sau 7912 pentru –12V). Alte variante ale acestei familii de regulatoare întâlnite frecvent sunt: 78Lxx (100 mA), 78Mxx (500 mA) și 78Txx (3,0 A).

Page 12: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

12 Cristian Molder

Regulatoarele de tensiune liniare fixe cu trei terminale nu necesită alte componente discrete exterioare obligatorii, fiind foarte simplu de utilizat în diferite scheme (figura 17).

Figura 17. Scheme de utilizare a stabilizatoarelor de tensiune liniare fixe Comanda de pornire sau dezactivare a unui regulator se poate implementa cu ajutorul unor

tranzistoare cuplate la intrarea regulatorului (figura 18). Tranzistorul Q1 funcţionează ca un comutator electronic şi se poate afla în blocare sau saturaţie, în funcţie de nivelul logic al semnalului de comandă din baza tranzistorului Q2. Atunci când semnalul de comandă are nivelul 1L, tranzistorul Q2 este saturat, ceea ce determină creşterea curentului prin rezistenţa R1 şi, implicit, creşterea tensiunii bază-emitor din Q1. Prin urmare, tranzistorul Q1 este saturat, iar regulatorul funcţionează normal. Dacă semnalul logic de comandă are nivelul 0L, tranzistoarele Q1 şi Q2 sunt blocate, iar regulatorul este decuplat.

Figura 18. Regulator de tensiune fix cu comandă de pornire-oprire În cazul în care se doreşte crearea unei surse de tensiune diferenţiale, este necesară utilizarea a două regulatoare de tensiune complementare, unul pentru tensiunea pozitivă şi unul pentru tensiunea negativă. De exemplu, pentru o sursă de alimentare de ±12V, se pot utiliza regulatoarele 7812 şi 7912, ca în montajul din figura 19.

Figura 19. Sursă stabilizată de tensiune diferenţială Pentru surse duble de tensiune, în care se doreşte obţinerea a două tensiuni fixe stabilizate pornind

de la o singură tensiune de intrare, se pot utiliza schemele din figura 20 prin conectarea a două regulatoare diferite în cascadă sau în serie. Cea de-a doua variantă asigură o diferenţă mai mică între tensiunea de intrare VI şi cea de ieşire VO2 pentru cel de-al doilea regulator. În schimb, curentul este furnizat de către regulatorul cu tensiunea fixă mai mare. Prin urmare, nu există o soluţie ideală.

Page 13: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 13

Figura 20. Surse stabilizate cu două tensiuni fixe de ieşire

Creşterea valorii fixe a tensiunii de la ieşirea regulatorului se poate realiza prin ridicarea valorii tensiunii de la terminalul comun. Acest lucru se poate face prin cuplarea unor diode Zener în polarizare inversă, a unor diode semiconductoare în polarizare directă sau a unui divizor rezistiv (figura 21). Tensiunile de ieşire vor fi determinate cu ajutorul relaţiilor : VO = VREG(1+R2/R1) + IQR2 pentru divizor rezistiv VO = VREG + ∑ VZ pentru diode Zener VO = VREG + ∑ 0.65V pentru diode în conducţie

Figura 21. Mărirea tensiunii de ieşire pentru regulatoare fixe de tensiune pozitivă

Pentru a micşora încărcarea divizorului rezistiv R1-R2 cu curentul IQ, se poate conecta un tranzistor în montaj colector comun, ca în figura 22. Tensiunea de ieşire va avea valoarea dată de tensiunea bază-emitor VBE a tranzistorului, de tensiunea VREG a regulatorului şi de curentul prin divizorul rezistiv.

VO = (VREG + 0,65V)(1+R2/R1) + IQR2/hFE

Figura 22. Tranzistor în montaj colector comun pentru scăderea curentului prin divizorul rezistiv Introducerea unui amplificator operaţional (LM741) permite ajustarea tensiunii de ieșire la valori

superioare celei nominale fixe a stabilizatorului 78xx, păstrând în același timp caracteristicile de stabilitate (figura 23). Schema permite obţinerea de tensiuni de ieșire de cel puţin 2,5V peste tensiunea fixă a regulatorului fix. Acest lucru rezultă din curentul de standby IQ = 2,5mA al circuitului integrat 78xx care trece prin rezistenţa de 1kΩ.

Considerând potenţiometrul P ca un divizor rezistiv cu factorul ß, tensiunea la intrarea pozitivă a amplificatorului operaţional va fi ßVO. Deoarece amplificatorul operaţional funcţionează ca un repetor, tensiunea de la ieșirea sa va avea aceiași valoare. Prin urmare, tensiunea de ieșire a stabilizatorului va avea valoarea deplasată cu cantitatea ßVO faţă de valoarea fixă a circuitului 78xx. Astfel, tensiunea de ieșire va fi:.

Page 14: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

14 Cristian Molder

Figura 23. Montajul unui stabilizator de tensiune liniar reglabil cu trei terminale

VO = V78xx + ßVO VO = V78xx/(1 – ß) Mărirea curentului de ieşire al unei surse cu regulator de tensiune se poate realiza prin cuplarea

unui tranzistor de putere la intrarea regulatorului (figura 24). Acesta are rolul de a furniza surplusul de curent rezultat ca diferenţă între curentul maxim furnizat de regulator şi curentul de sarcină. Tranzistorul Q se deschide în momentul în care prin rezistenţa R cuplată între bază şi emitor trece un curent suficient de mare pentru a crea o tensiune VBE = 0,65V.

R = 0,65V/IREG MAX

În cazul tranzistorului extern Q, trebuie avută în vedere asigurarea unui radiator pentru disiparea căldurii rezultate ca urmare a curentului de colector mare.

Figura 24. Mărirea curentului de ieşire pentru regulatoare fixe de tensiune pozitivă

Regulatoare de tensiune liniare reglabile

Stabilizatoarele de tensiune liniare reglabile pot exista și sub forma unor circuite integrate specializate cu trei terminale. Reglajul tensiunii de ieșire este realizat prin construirea unui divizor rezistiv la ieșirea stabilizatorului, tensiunea dintre cele două rezistenţe fiind conectată la terminalul corespunzător de ajustare al stabilizatorului integrat. Raportul rezistenţelor determină valoarea tensiunii de ieșire pe baza unei reacţii. Schema bloc a unui astfel de stabilizator este prezentată în figura 25.

Tensiunea de ieșire VO furnizată de un astfel de stabilizator este dată de relaţia:

VO = VREF(1 + R2/R1) + IADJR2

Datorită construcţiei interne, terminalul ADJ are întotdeauna un potenţial egal cu tensiunea de referinţă VREF generată intern (de obicei, având valoarea de 1,25V).

Stabilizatoarele de tensiune liniare reglabile cu trei terminale cele mai cunoscute sunt LM317 (pentru tensiuni pozitive) și LM337 (pentru tensiuni negative), capabile să furnizeze un curent de sarcină maxim de 100mA (LM317L, LM337L), 500mA (LM317M, LM337M) sau 1,5A, pentru tensiuni diferenţiale intrare-ieşire de maxim 40 V.

Page 15: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 15

Figura 25. Schema bloc a unui stabilizator de tensiune liniar reglabil cu trei terminale

Comanda de pornire/blocare a unui regulator liniar de tensiune reglabil se poate face conform schemei din figura 26. Atât timp cât tranzistorul Q este blocat de către un semnal de comandă cu nivel 0L, regulatorul are un regim de funcţionare normal. În momentul în care în baza tranzistorului Q se aplică un semnal cu nivel1L, tranzistorul se saturează, iar tensiunea de ieşire a regulatorului va fi sensibil egală cu tensiunea de referinţă VREF. Rezistenţa R3 trebuie să aibă o valoare suficient de mică pentru a asigura condiţia de saturare a tranzistorului.

Figura 26. Regulator de tensiune reglabil cu comandă de pornire-oprire

Alte tipuri de circuite integrate permit controlul diferitelor module interne ale regulatorului de tensiune prin conectarea de către utilizator a diferitelor componente adiacente. Cel mai cunoscut model din această categorie este circuitul integrat μA723, creat în anul 1967 de către Bob Widlar. Este disponibil şi astăzi sub diferite variante de denumire, în funcţie de producător, astfel: μA723 (Philips Semiconductors), LM723 (National Semiconductor), UA723 (Texas Instruments) sau KA723 (Fairchild Semiconductor).

Figura 27. Schema funcţională a regulatorului integrat LM723

Page 16: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

16 Cristian Molder

Regulatorul 723 permite un curent de sarcină maxim de 150mA, tensiune de intrare maximă de 40V, tensiune de ieşire reglabilă în intervalul 2V la 37V, şi coeficienţi de stabilizare la variaţia intrării şi sarcinii de 0,01%. Curentul de ieşire poate fi mărit prin conectarea unui tranzistor extern.

Figura 28. Schema funcţională a regulatorului LM723 pentru tensiune de ieşire superioară tensiunii de referinţă În schema din figura 28 se prezintă modul de utilizare al regulatorului 723 pentru tensiuni de ieşire

superioare tensiunii de referinţă. Tensiunea de ieşire VO este determinată cu ajutorul divizorului rezistiv format din R1-R2 cuplat la intrarea neinversoare a amplificatorului de eroare :

VO = (1+R2/R1)VREF Pentru a realiza protecţia la scurtcircuit, curentul de scurtcircuit maxim se stabileşte cu ajutorul

rezistenţei RSC, cuplate între terminalele CL şi CS. Valoarea rezistenţei va fi determinată astfel încât, pentru valoarea curentului de scurtcircuit (ISC), căderea de tensiune pe rezistanţa RSC să fie egală cu tensiunea necesară pentru deschiderea tranzistorului intern, respectiv 0,65V.

RSC = 0,65V/ISC

Sursa de tensiune de referinţă se cuplează la intrarea neinversoare a amplificatorului de eroare prin

intermediul unei rezistenţe R3=R1||R2 pentru minimizarea efectelor curenţilor de polarizare ai amplificatorului operaţional. În cazul în care nu se cere precizie ridicată, rezistenţa R3 poate fi omisă, legătura fiind realizată direct printr-un scurtcircuit între cele două terminale. Pentru aplicaţii în care curentul de sarcină este mai mare decât 150mA, se utilizează un tranzistor serie cuplat la ieşirea regulatorului.

Figura 29. Schema funcţională a regulatorului LM723 pentru tensiune de ieşire inferioară tensiunii de referinţă

Page 17: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 17

În cazul în care se doreşte obţinerea de tensiuni de ieşire inferioare tensiunii de referinţă, regulatorul liniar 723 se utilizează ca în montajul din figura 29. De această dată, divizorul rezistiv furnizează la intrarea neinversoare a amplificatorului de eroare un procent din tensiunea de referinţă VREF. Prin urmare, tensiunea de referinţă va avea valoarea :

VO = R2/(R1+R2)VREF

Algoritmi de proiectare 1. Să se realizeze o sursă de tensiune stabilizată cu tensiunea de ieșire de 9V și curentul de sarcină de 100mA. Soluţie: se alege circuitul integrat regulator liniar de tensiune pozitivă 78L09 care are căderea de tensiune VD = 2,5V și curentul de sarcină maxim IO(MAX) = 100mA, cuplat ca în schema din figura 17. Se determină tensiunea minimă de la intrarea regulatorului :

VI(MIN) = VO + VD = 9V + 2,5V = 11,5V 2. Să se realizeze o sursă de tensiune stabilizată cu tensiunea de ieșire de 5V și curentul de sarcină de 5A. Soluţie: se alege circuitul integrat 78T05 care are căderea de tensiune VD = 2,5V și curentul de sarcină maxim IO(MAX) = 3A, cuplat cu un tranzistor extern ca în schema din figura 24. Se determină tensiunea minimă de la intrarea regulatorului :

VI(MIN) = VBE + VO + VD = 0,65V + 5V + 2,5V = 8,15V Se determină valoarea rezistenţei R care să permită deschiderea tranzistorului extern pentru curenţi de peste 3A :

R = VBE/IO(MAX) = 0,65V/3A = 0,22Ω (2W)

3. Să se realizeze o sursă de tensiune stabilizată cu tensiunea de ieșire de 10V pornind de la o tensiune de intrare de 12V. Soluţie: se determină căderea de tensiune pe regulator, astfel :

VD = VI – VO = 12V – 10V = 2V Prin urmare, este necesară utilizarea unui regulator de tensiune liniar de tip LDO. Se alege circuitul integrat TL750M05 (Texas Instruments) cu tensiunea VD = 0,6V, conectat ca în montajul din figura 17. 4. Să se realizeze o sursă de tensiune stabilizată reglabilă în domeniul 5V-10V, pentru un curent de ieșire de 3A.

Soluţie: se alege circuitul integrat regulator liniar reglabil LM150 (National Semiconductor) care permite un curent maxim de ieșire IO(MAX) = 3A și o tensiune de referinţă VREF = 1,25V, conectat ca în schema din figura 25. Curentul din terminalul de reglaj este IADJ = 50μA. Pentru reglarea tensiunii în gama 5V-10V, se calculează valorile rezistenţelor R1 și R2. Din specificaţiile tehnice se alege R1 = 240 Ω.

VO(MIN) = VREF(1+R2(MIN)/R1)+IADJR2(MIN)

VO(MAX) = VREF(1+R2(MAX)/R1) +IADJR2(MIN)

Rezultă R2(MIN) = 715Ω și R2(MAX) = 1,69kΩ.

Page 18: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

18 Cristian Molder

5. Utilizând circuitul integrat 723, să se realizeze un stabilizator de tensiune în gama 2V-7V, pentru un curent maxim de scurtcircuit de 2,5A. Soluţie: curentul maxim de sarcină care poate fi furnizat de către 723 este de 150mA. Prin urmare, este necesară utilizarea unui tranzistor extern de curent mare. Deoarece gama tensiunii de ieșire este inferioară tensiunii de referinţă VREF = 7,15V, schema de conectare a regulatorului este cea din figura 29.

Figura 30. Înlocuirea divizorului rezistiv fix în regulatorul de tensiune 723. Rezistenţa de scurtcircuit RSC se determină pentru un curent de scurtcircuit ISC = 2,5A, astfel :

RSC = 0,65V/ISC = 0,65V/2,5A = 0,26Ω (2W)

Rezistenţele P, R1 și R2 se determină pe baza relaţiei de calcul a tensiunii de ieșire :

VO(MIN) = VREFR2/(P+R1+R2) VO(MAX) = VREF(R2+P)/(P+R1+R2)

unde divizorul rezistiv este compus din două rezistenţe fixe și un potenţiometru, conectate în serie ca în figura 30. Se alege P = 10kΩ, de unde rezultă valorile aproximate R1 = 470Ω și R2 = 3,9kΩ. Rezistenţa de compensare R3 este egală cu valoarea rezistenţelor R1 și R2 cuplate în paralel (420Ω).

Page 19: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 19

Regulatoare de tensiune în comutaţie Începând cu anii 60, stabilizatoarele de tensiune în comutaţie au început să fie proiectate pentru

aplicaţii militare datorită necesităţii unei eficenţe mărite și a unei greutăţi reduse. Una din modalităţile de control a puterii medii furnizate unei sarcini este controlul tensiunii medii aplicate acestei sarcini. Acesta se poate realiza prin deschiderea și închiderea repetată a unui comutator (figura 31). Tensiunea medie care este furnizată sarcinii RL este dată de relaţia:

VO (medie) = (tON/T) VI Prin modificarea timpului tON se poate varia proporţional tensiunea medie VO (medie). Acest tip de

control poartă denumirea de modulaţie în durată a impulsurilor (PWM, pulse width modulation).

Figura 31. Exemplu de generare a modulaţiei în durată a impulsurilor (PWM)

Un regulator în comutaţie este compus din patru componente principale (figura 32): o sursă de tensiune (VI), un comutator (S), un generator de impulsuri (VP) şi un filtru (F). Sursa de tensiune poate fi orice sursă de curent continuu care necesită conversia şi/sau stabilizarea tensiunii (baterie, sursă redresată sau chiar sursă stabilizată). Cerinţele unei asfel de surse sunt:

- capacitate de a furniza puterea de ieşire şi pierderile asociate regulatorului în comutaţie; - tensiunea de intrare VI trebuie să fie suficient de mare pentru a compensa căderile de tensiune

şi variaţiile sarcinii şi reţelei de tensiune; - capacitatea de a stoca o cantitate de energie suficient timp după căderea tensiunii de

alimentare.

Figura 32. Schema bloc a unui regulator de tensiune în comutaţie Comutatorul S este, de cele mai multe ori, un tranzistor sau tiristor, conectat ca un comutator de

alimentare. Acesta are o eficienţă ridicată deoarece funcţionează în saturaţie. Generatorul de impulsuri alternează pornirea şi oprirea comutatorului S. Impusurile sunt asimetrice, având o variaţie a frecvenţei (modulaţie în frecvenţă) sau a duratei impulsului (modulaţie PWM). Valoarea frecvenţei impulsurilor este de ordinul zecilor de kHz, pentru a menţine reduse dimensiunile componentelor şi a elimina efectele audibile ale unei frecvenţe joase. Filtrul F are rol de mediere, efectuând conversia impulsurilor provenite de la comutatorul S într-o tensiune continuă. Presupunând ideal că nu există pierderi, puterea de intrare este egală cu puterea de ieşire (VIII = VOIO).

Page 20: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

20 Cristian Molder

Mecanismul de comutaţie permite o conversie similară celei efectuate de un transformator. Relaţia dintre tensiunea de intrare şi cea de ieşire este o funcţie de factorul de umplere al impulsurilor.

VO = VI = (tON/T)VI

Filtrul (sau reţeaua de integrare) are o importanţă majoră în funcţionarea regulatorului în

comutaţie, fiind realizate în configuraţie RC, RL sau RLC, ultima dintre acestea fiind cel mai frecvent întâlnită în practică.

Figura 33. Schema bloc a unui regulator de tensiune în comutaţie cu filtru RC

Filtrul RC. Atunci când tranzistorul Q1 se închide, curentul instantaneu din condensatorul C este foarte mare, fiind limitat de rezistenţa serie RS şi de reactanţa XC/Q. Curentul instantaneu poate fi determinat cu ajutorul legii lui Kirchhoff, utilizând transformata Laplace : IS = UI/R exp[–t/(RC)], unde R = RS + XC/Q

Atunci când tranzistorul Q1 se deschide, tensiunea de pe condensator scade în concordanţă cu

relaţia :

UC = UI{1–exp[–t/(RC)]}

Pentru a menţine relativ constantă tensiunea pe condensatorul C şi, implicit, tensiunea de ieşire, este necesar ca valoarea constantei de încărcare să fie mult mai mică decât constanta de timp a sarcinii :

RC << RLC

Atunci când R devine mai mică, valoarea medie a impulsurilor se apropie de o tensiune continuă

dar, în acelaşi timp, curentul de vârf IC este foarte mare. Aceşti curenţi fac inutilizabilă soluţia filtrului RC, cauzând pierderi mari de putere.

Figura 34. Schema bloc a unui regulator de tensiune în comutaţie cu filtru RL

Filtrul RL. Atunci când tranzistorul Q1 se închide, tensiunea UL prin inductorul L este egală cu tensiunea de intrare UI. Curentul IO prin sarcină la momentul 0 este nul şi creşte exponenţial. Curentul instantaneu va fi, prin urmare : IL = UI/R[1–exp(–tR/L)], unde R = RS + XL/Q

Page 21: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 21

La momentul t=0, curentul este nul. Prin urmare, constanta de timp L/R trebuie să fie mult mai mică decât constanta de timp a sarcinii :

L/C << L/RL

În timp ce bobina elimină efectul de supracurent al filtrelor RC, filtrele RL au alte inconveniente

majore: - deoarece curentul nu se poate modifica brusc în inductor, o modificare bruscă a sarcinii RL va

determina o modificare rapidă a căderii de tensiune, fapt care afectează răspunsul tranzitoriu al regulatorului;

- energia stocată într-un inductor este egală cu LI2/2. Deoarece modificările de energie se fac cu pătratul valorii curentului, bobina trebuie să aibă o valoare foarte mare pentru a putea furniza un flux de curent constant atunci când curentul de sarcină este mic;

- modificarea curentului în tranzistorul Q1 la blocare determină scăderea câmpului magnetic asociat bobinei L care implică apariţia unui potenţial VL = –L dIL/dt. Această tensiune negativă determină apariţia unei tensiuni mari pe tranzistorul Q1 care îl poate distruge (VCE(off) = VI + VL).

Figura 35. Schema bloc a unui regulator de tensiune în comutaţie cu filtru RLC

Filtrul RLC. Combinarea filtrelor RC şi RL permite obţinerea avantajelor fiecărui tip în parte, reducând în acelaşi timp o parte din dezavantaje. Inductorul L este utilizat pentru limitarea vârfurilor de curent asociate încărcării condensatorului C. Acest curent va avea valoarea maximă în momentul cuplării iniţiale a regulatorului.

IS = EI/Ls{[s+1/(RLC)]/[s2+s(RSRLC+L)/(RLLC)+(RSRL)/(RLLC)]}

În practică există trei tipuri principale de regulatoare de tensiune în comutaţie: - coborâtor de tensiune (buck regulator); - ridicător de tensiune (boost regulator); - inversor de tensiune (buck-boost regulator).

Regulatoare de tensiune în comutaţie coborâtoare de tensiune Regulatoarele în comutaţie coborâtoare de tensiune (buck regulator) au tensiunea de ieșire VO mai

mică decât tensiunea de intrare VI (figura 36). La momentul t(0), controlerul detectează o valoare prea mică a tensiunii de ieșire VO și comandă deschiderea tranzistorului Q pentru a mări curentul din bobina L, determinând încărcarea condensatorului C. La o anumită valoare prestabilită a tensiunii VO, controlerul închide tranzistorul Q, ceea ce determină circularea liberă a curentului în circuitul LC și dioda redresoare ultrarapidă D. Acest lucru permite transferul energiei stocate în bobină către condensator. Dimensiunile bobinei și capacităţii sunt invers proporţionale cu frecvenţa de cumutaţie, ceea ce determină creșterea densităţii de putere a stabilizatoarelor de tensiune în comutaţie. Deoarece tranzistorul Q trebuie să suporte curenţi mari de sarcină, precum și inversarea curentului prin dioda redresoare D, este obligatorie utilizarea unei diode ultrarapide de tip Schottky.

Page 22: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

22 Cristian Molder

Figura 36. Funcţionarea regulatorului în comutaţie coborâtor de tensiune

În figura 37 sunt prezentate schemele echivalente pentru cele două stări de funcţionare ale tranzistorului Q, saturat sau blocat. Iniţial, pentru t = 0, tensiunea de ieşire este egală cu tensiunea de intrare. Dioda D este blocată, fiind polarizată invers, iar tranzistorul Q este în saturaţie. Curentul circulă prin bobină, relaţia dintre tensiunea şi curentul prin L fiind :

L dIL/dt = VI – VO

Considerând tensiunea de sarcină constantă, curentul prin sarcină poate fi exprimat sub forma :

IL = t(VI – VO)/L + Im unde Im este curentul iniţial. La momentul t = tON se comandă blocarea tranzistorului Q, iar dioda D intră în conducţie directă. Relaţia dintre curent şi tensiune în bobină :

L dIL/dt = – VO

Considerând curentul la momentul tON ca fiind IM, curentul prin bobină are forma :

IL = – t’VO/L + IM

Figura 37. Scheme echivalente ale stabilizatorului coborâtor de tensiune în funcţie de starea tranzistorului Q

Schimbarea modului de funcţionare al tranzistorului nu determină modificări bruşte ale valorii curentului prin bobină, funcţionarea fiind în regim periodic prin impunerea condiţiilor :

IM = tON(VI – VO)/L + Im şi Im = –TVO/L + IM

Eliminând termenii IM şi Im, se poate exprima raportul dintre tensiuni în funcţie de timp, astfel :

VO/VI = tON/T =

Page 23: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 23

Figura 38. Curentul în condensator şi variaţia tensiunii de ieşire pentru regulator coborâtor de tensiune Variaţia de curent vârf-la-vârf a tensiunii de ieşire se determină astfel :

ΔIL = IM – Im = tON(VI – VO)/L

În regim permanent, tensiunea la bornele unei bobine are valoare nulă (figura 38). Prin urmare,

ariile superioare şi inferioare ale graficului curentului vor fi egale, astfel :

(VI – VO) T = VO(1–)T Curentul prin rezistenţa de sarcină RL poate fi considerat constant, astfel încât curentul prin

condensatorul C are valoarea : IC = IL – IO

unde curentul de ieşire IO = VO/RL. Curentul prin condensator poate fi exprimat, astfel :

IC = C dVO/dt Tensiunea de ieşire este egală cu tensiunea la bornele condensatorului şi fluctuează în funcţie de

variaţia sarcinii din condensator (valoarea ariei din graficul curentului) : ΔVO = ΔQ/C unde ΔQ = ΔILT/8

Prin urmare, înlocuind expresia variaţiei curentului, se obţine expresia variaţiei tensiunii de ieşire :

Randamentul regulatorului în comutaţie se determină ca raport al valorilor medii a puterii de ieşire

şi a puterii de intrare : = <VOIO>/<VIII> = VOIO/VI<II>

Valoarea medie a curentului de ieşire este determinată de factorul de umplere, astflel :

<II> = IO

Considerând căderile de tensiune pe diodă (VD) şi pe tranzistor în saturaţie (VBE(on)), tensiunea de

ieşire va fi egală cu valoarea medie a tensiunii la intrarea bobinei (figura 39) :

ΔUO = (1–)VIT2/(8LC)

Page 24: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

24 Cristian Molder

Figura 39. Influenţa diodei şi a tranzistorului asupra tensiunii de ieşire

VO = (VI – VBE(on)) – (1 – )VD

de unde rezultă că factorul de umplere poate fi exprimat sub forma :

= (VO + VD)/(VI – VBE(on) + VD) Rezultă că expresia randamentului pentru regulatoarele de tensiune în comutaţie este :

Exemplu de calcul. Să se realizeze o sursă de tensiune stabilizată cu tensiunea de ieșire de 12V, pornind de la o tensiune de intrare de 24V.

Soluţia 1: utilizând un regulator de tensiune liniar, randamentul rezultat ar avea valoarea :

1 = 12/24 = 50%

Soluţia 2: utilizând un regulator de tensiune în comutaţie, randamentul obţinut este net superior variantei regulatorului liniar :

2 = [12(24–0,65+0,65)] / [24(12+0,65)] = 95%

Regulatoare de tensiune în comutaţie ridicătoare de tensiune Regulatoarele în comutaţie ridicătoare de tensiune (boost regulator) au tensiunea de ieșire VO mai

mare decât tensiunea de intrare VI. Schema de principiu a unui astfel de regulator este diferită de cea a regulatoarelor ridicătoare (figura 40).

Figura 40. Funcţionarea regulatorului în comutaţie ridicător de tensiune

= [VO(VI – VBE(on) + VD) ] / [VI(VO + VD)]

Page 25: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 25

Figura 41. Scheme echivalente ale stabilizatorului ridicător de tensiune în funcţie de starea tranzistorului Q Pe perioada impulsului tON, tranzistorul Q funcţionează în regim de saturaţie (figura 41).

Tensiunea la bornele sale este nulă şi, prin urmare, există egalitatea :

L dIL/dt = VO

iar curentul prin bobină va fi : IL = tVI/L + Im

După timpul tON, tranzistorul este blocat, iar curentul prin bobină va deveni :

L dIL/dt = VI – VO ceea ce duce la :

IL = –t’(VO – VI)/L + IM

Pentru continuitatea curentului între cele două moduri de funcţionare, se impun condiţiile :

IM = tONVI/L + Im şi Im = –T(VO – VI)/L + IM

Eliminând Im şi IM, rezultă că tensiunea de ieşire are expresia :

Figura 42. Curentul în condensator şi variaţia tensiunii de ieşire pentru regulator ridicător de tensiune

Variaţiile vârf-la-vârf ale curentului prin bobină sunt :

ΔIL = IM – Im = tONVI/L de unde rezultă :

ΔIL = (1–)VOT/L

VO = VIT/t = 1/(1 – )VI

Page 26: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

26 Cristian Molder

Curentul în condensatorul C este egal cu diferenţa dintre curentul prin diodă şi curentul de sarcină :

IC = ID – IO

şi, în acelaşi timp : IC = C dVO/dt

Rezultă că variaţia tensiunii de ieşire este :

ΔUO = IOT/C

Randamentul regulatorului de tensiune ridicător de tensiune este :

Regulatoare de tensiune în comutaţie inversoare de tensiune Regulatorul inversor de tensiune are rolul de a inversa şi ridica valoarea tensiunii de intrare.

Schema de principiu este prezentată în figura 43.

Figura 43. Schema de principiu a regulatorului în comutaţie inversor de tensiune

Pe durata impuslului (0<t<tON), tensiunea la bornele bobinei L este egală cu tensiunea aplicată la intrarea regulatorului.

L dIL/dt = VI Curentul prin bobină are valoarea :

IL = tVI/L + Im

Bobina are rol de înmagazinare a energiei, în timp ce condensatorul alimentează sarcina. La

blocarea tranzistorului Q (pentru tON<t<T), dioda intră în conducţie pentru a asigura continuitatea energiei din bobină. Tensiunea de la bornele bobinei asigură tensiunea de ieşire a sarcinii. Energia magnetică stocată permite alimentarea circuitului de sarcină şi reîncărcarea condensatorului.

L dIL/dt = VO

Curentul prin bobină va fi :

IL = t’VO/L + IM

Se impune condiţia de continuitate a curentului prin bobină, astfel :

IM = tONVI/L + Im şi Im = (tON–T)VO/L + IM

= [VO(VI – VBE(on))] / [VI(VO + VD – VBE(on))]

Page 27: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 27

Figura 44. Scheme echivalente ale stabilizatorului inversor de tensiune în funcţie de starea tranzistorului Q După eliminarea termenilor Im şi IM, rezultă relaţia tensiunii de ieşire, astfel :

Variaţia vârf-la-vârf a curentul din bobină este :

ΔIL = IM – Im = tONVI/L de unde rezultă :

ΔIL = (1–)|VO|T/L

Pornind de la ariile egale ale graficului curentului prin condensatori IC (figura 45), rezultă egalitatea :

VIT = –VO(1–)T Curentul IC este egal cu diferenţa dintre curentul prin diodă şi cel de sarcină :

IC = ID – IO şi, în acelaşi timp :

IC = – C dVO/dt Variaţia tensiunii de ieşire este identică celei obţinute pentru regulatorul ridicător de tensiune :

ΔUO = IOT/C

Figura 45. Curentul în condensator şi variaţia tensiunii de ieşire pentru regulator inversor de tensiune

VO = – VI/(1–)

Page 28: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

28 Cristian Molder

Figura 46. Caracteristicile de tensiune ale regulatoarelor în comutaţie Randamentul regulatorului inversor de tensiune este :

În figura 46 sunt prezentate graficele dependenţei tensiunii de ieşire în funcţie de tensiunea de

intrare pentru cele trei tipuri principale de regulatoare de tensiune în comutaţie.

Regulatoare cu transformator Regulatoarele prezentate anterior sunt utile pentru aplicaţii cu tensiuni mici, atunci când nu se

doreşte o izolare electrică. În cazul surselor în comutaţie care sunt alimentate direct de la reţeaua de alimentare cu tensiune de 110V/220V, este obligatorie separarea electrică a acesteia faţă de consumatori. Acest lucru este realizat prin intermediul unui transformator utilizat în locul bobinei. Acest tip de regulator cu transformator (flyback converter) este utilizat în sursele de alimentare stabilizate de până la 150W, fiind suficiente pentru a alimenta calculatoare personale, instrumente de test, terminale video etc.

Deoarece transformatorul funcţionează la frecvenţe înalte, dimensiunea acestuia va fi mult mai mică decât cea a transformatoarelor de 50Hz/60Hz alimentate de la reţea. În anumite limite, dimensiune unui transformator este invers proporţională cu valoarea frecvenţei.

Circuitul funcţionează similar unui regulator ridicător de tensiune (figura 47). Transformatorul poate fi privit ca o bobină cu două înfăşurări, una pentru stocarea energiei în miezul transformatorului şi una pentru tranferul energiei din miez pe condensatorul de ieşire.

Figura 47. Schema de principiu a regulatorului cu transformator

= [VO(VI – VBE(on))] / [VI(VO + VD)]

Page 29: CIA - Surse de Aliment Are Stabilizate

Surse de alimentare 29

În timpul blocării tranzistorului Q (pentru 0<t<tON), tranformatorul înmagazinează energia furnizată de către sursa VI. Dioda D este blocată, iar condensatorul C permite alimentarea sarcinii. În momentul deschiderii tranzistorului Q, dioda D se deblochează. Energia înmagazinată de către transformator va servi la alimentarea circuitului şi reîncărcarea condensatorului . Valoarea condensatorului trebuie aleasă suficient de mare pentru a asigura o tensiune de ieşire relativ constantă.

Valoarea tensiunii de ieşire este determinată de factorul de umplere al impusurilor de comandă şi de raportul de transformare al transformatorului. Controlul tensiunii de ieşire se face prin controlul timpului tON în care tranzistorul Q se află în saturaţie.

Regulatoarele cu transformator sunt utile pentru sarcini multiple şi tensiuni de ieşire mari,

deoarece bobina este înlocuită cu un transformator. Inconvenientele unui astfel de regulator sunt : - riplu mare al tensiunii de ieşire, datorită încărcării condensatorului pe o singură alternanţă; - tranzistorul trebuie să blocheze o tensiune dublă de intrare (2VI); - transformatorul este comandat într-un singur sens, necesitând un miez mai mare decât în

cazul unui circuit de tip push-pull.

Bibliografie

[1] Agilent – Understanding Linear Power Supply Operation, AN1554 [2] Fairchild – High Current Voltage Regulators, 1982 [3] Fairchild – Voltage Regulator Handbook, 1978 [4] National Semiconductor – Linear and Switching Voltage Regulator Fundamentals [5] National Semiconductor – Introduction to Power Supplies, AN-556 [6] National Semiconductor – National Analog and Interface Products Databook, 1999 Edition [7] Manesh Jivani & Nikesh Shah – Variable Power Supply using a Fixed-Voltage Regulator IC,

Electronics for You, November 2006, pp. 96-97 [8] Pierre Mayé – Les alimentations électroniques, Dunod, Paris, 2001

VO = [/(1–)][N1/N2]VI


Recommended