FACULTATEA DE ELECTRONICA SI TELECOMUNICATII TIMISOARA Sursa reglabila de tensiune Proiect Circuite Electronice Studenti: Vesa Vlad, Dömötör Mihai “Stabilizatoarele de tensiune sunt instalatii care asigura tensiuni de alimentare constante pentru echipamentele de telecomunicatii. Aceste instalatii se monteaza in general intre sursa de alimentare si sarcina, micsorand variatiile tensiunii de alimentare pana la limitele impuse de performantele aparatului comutator.”
Transcript
FACULTATEA DE ELECTRONICA SI TELECOMUNICATII TIMISOARA
Sursa reglabila de tensiune Proiect Circuite Electronice
Studenti: Vesa Vlad, Dömötör Mihai
“Stabilizatoarele de tensiune sunt instalatii care asigura tensiuni de alimentare constante pentru echipamentele de telecomunicatii. Aceste instalatii se monteaza in general intre sursa de alimentare si sarcina, micsorand variatiile tensiunii de alimentare pana la limitele impuse de performantele aparatului comutator.”
1
Sursa reglabila de tensiune
1. Sursa de teniune O sursa de tensiune este orice dispozitiv sau sistem care produce o forţa electromotoare, intre
terminalele sale sau deriva o tensiune secundara de la sursa primara a fortei electromotoare. O sursa de tensiune primara poate furniza (sau absorbi) energie la un circuit in timp ce o sursa de tensiune secundara a disipa energie din circuit. Un exemplu de sursa primara este o baterie în timp ce un exemplu de o sursa secundara este o sursa reglabila de tensiune. În teoria circuitelor electrice, o sursa de tensiune este omoloaga sursei de curent.
1.1. Sursa de teniune ideala In teoria circuitelor, o sursa ideala de tensiune este
un element de circuit in care caderea de tensiune la bornele sale este independenta de curentul care trece prin ea. Ea exista doar in modele matematice de circuite. In cazul in care tensiunea la bornele unei surse ideale de tensiune poate fi specificata independent de orice alte variabile intr-un circuit, aceasta se numeste o sursa independenta de tensiune. Figura alaturata arata simbolurile folosite in mod obisnuit pentru a indica sursele de tensiune in schemele circuitelor.
Rezistenta interna a unei surse ideale de tensiune este zero; acesta este capabila sa furnizeze sau sa absoarba orice cantitate de curent. Curentul care trece printr-o sursa ideala de tensiune este complet determinat de circuitul exterior. Cand este conectat la un circuit deschis, curentul este zero si astfel si puterea este zero. Cand este conectat la o rezitenta de sarcina, curentul care trece prin sursa se apropie de infinit atunci cand rezistenta de sarcina se apropie de zero (un scurt-circuit). Astfel, o sursa ideala de tensiune poate furniza o putere nelimintata. Nicio sursa de tensiune nu este ideala; toate au o rezistenta interna diferita de zero, si niciuna nu poate furniza un curent nelimitat. Cu toate acestea, rezistenta interna a unei surse reale de tensiune este modelata in mod eficient in analiza circuitului liniar prin combinarea in serie a unei rezitente diferita de zero cu o sursa ideala de tensiune.
1.2. Sursa de tensiune reala
1.2.1. Sursa de tensiune LED Un LED in serie cu un rezistor poate fi utilizat pentru a face o sursa de tensiune cu o tensiune de
iesire de aproximativ 1.5 – 4.0 V, in functie de trecerea curentului prin el si de tipul acestuia (culoare). Sarcina si redresarea liniara este corecta; acest circuit este asemanator cu stabilizatorul de diode Zener dar nici acesta nu redreseaza. Chiar daca sunt cerute tensiuni redresate mai mici sau nivele mai ridicate de tensiune, o dioada comuna de siliciu (ca de exemplu 1N4148) sau un redresor (ca de exemplu 1N4001) poate fi inlocuit cu LED-uri. In acest caz, sunt produse tensiuni de aproximativ 0.6 – 0.7 V ce furnizeaza sarcini rezonabile si stabilizare liniara, dar o stabilizare saraca a temperaturii (-2 mV/°C).
2
1.2.2. Sursa de tensiune Zener Figura arata un circuit care poate fi folosit pentru a oferi o
sursa de tensiune mai scazuta atunci cand este disponibila doar o tensiune ridicata. Aceasta abordare are avantajul unei mari simplitati. Diodele Zener sunt disponibile pana la 100V. Cu toate acestea, la tensiuni mai inalte, puterea de disipare reprezinta o provocare majora de proiectare, cu exceptia cazului in care doar o sarcina mica de curent este necesara. Impedanta de iesire este in general mult mai mica decat cea a divizorului potential datorita curentului care se pierde la trecerea prin dioda Zener. Imaginea arata o sursa de tensiune constanta folosind o dioda Zener (DZ). Acest circuit se comporta ca un regulator de tensiune, in sensul ca mentine o tensiune constanta de-a lungul sarcinii (R2) indiferent de valoarea sau de variatia VS . Acest circuit este de obicei folosit atunci cand sarcina curenta este foarte mica (sau R2 este mare) si nu variaza. Acesta apare in circuitele cu sursa constanta de curent. Odata ce curentul IR2 este cunoscut, rezistorul R1 poate fi calculat folosind relatia:
unde V Z este tensiunea Zener si IZ este curentul Zener. Acest circuit pierde putere prin disiparea VZIZ
wati. Pentru a ajunge la o buna stabilizare, IZ trebuie sa fie relativ mare. Acest circuit este folosit in aplicatii in care variatia tensiunii la iesire este acceptabila. Un
condensator cu filtru mare pus in paralel cu o dioda Zener (sau R2) poate creste stabilatatea la iesire. Atunci cand R2 este inlocuit cu emitatorul de baza al circuitului unui tranzistor, circuitul se comporta ca o sursa de tensiune pentru rezistorul emitor si ca o sursa de curent pentru rezistorul colector.
1.3. Sursa de tensiune reglabila O sursa de tensiune reglabila constituie un ansamblu de circuite electronice care interconectate
permit obtinerea unor tensiuni bine stabilite la iesirea actestora.
Amplificatoarele operaționale (A.O.) sunt amplificatoare de curent continuu cu amplificare mare proiectate inițial pentru a realiza anumite operații matematice, având intrari diferențiale și, de regula, o singura ieșire. Deși un amplificator operațional este un amplificator ideal, cu o amplificare infinita, banda infinita și un raspuns în frecvența perfect plat, impedanța de intrare infinita și impedanța de ieșire 0, fara drift cu temperatura, în practica, amplificatorul operațional are urmatoarele caracteristici:
impedanța mare de intrare; impedanța mica de ieșire; câștig foarte mare (peste 50 000); banda foarte mare și raspuns foarte plat în frecvența;
drift cu temperatura foarte mic. Constructiv, un amplificator operaţional este constituit din: doua intrari (inversoare şi
neinversoare), o ieşire şi terminalele de alimentare, aşa cum se arata în fig.2. Exista o mulțime de aplicații ale amplificatorului operațional, printre care inversorul, amplificatorul ne-inversor, repetor de tensiune, amplificatorul sumator, amplificatorul integrator, amplificatorul diferențial și compatorul. Pentru a determina aplicația specifica, se conecteaza diferite componente externe amplificatorului operațional.
2.2. Aplicatii ale amplificatorului operational 2.2.1. Stabilizatorul de tensiune
3
Stabilizatoarele de tensiune realizate cu circuite integrate analogice pot fi liniare (cu AO sau cu circuite integrate specializate) sau în comutatie si au rolul de a furniza la iesire o tensiune cat mai constanta cu variatia temperaturii, valorii sarcinii sau a variatiei tensiunii de alimentare nestabilizate.
În structura unui astfel de circuit exista un stabilizator cu reactie si un element de control serie. Functionarea se bazeaza pe utilizarea unei scheme de amplificator cu reactie negativa. Tensiunea de iesire se mentine constanta printr-un process de reglare automata, la care
tensiunea de iesire sau o fractiune din ea se compara in permanenta cu o tensiune de referinta. Semnalul diferenta rezultat in urma acestei comparari, numit si semnal de eroare, este amplificat
si comanda elementul de reglare a tensiunii de iesire pentru a restabili valoarea prescrisa. Parametrii unui stabilizator de tensiune continua se clasifica in doua categorii:
Valori limita absoluta – descriu incarcarea maxima a stabilizatorului
Caracteristici electrice – descriu functionarea propriuzisa a stabilizatorului
2.2.2. Sursa de tensiune de referinta Acest bloc functional are o influenta directa si semnificativa asupra nivelului tensiunii de iesire,
asupra coeficientului de temperatura si al coeficientului de stabilizare al tensiunii de iesire. De aceea se considera ca este cel mai important bloc functional din stabilizatorul integrat de tensiune. Tensiunea de referinta furnizata de acet bloc functional trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:
sa fie cat mai stabila la variatia tensiunii de alimentare;
sa fie cat mai stabila cu variatia temperaturii mediului ambiant si a temperaturii componentelor electronice;
sa permita o reproductibitate tehnologica a valorii nominale a tensiunii de referinta cu o toleranta foarte mica;
sa asigure a stabilitate in timp a valorii nominale a tensiunii;
sa asigure un zgomot redus pentru a nu introduce surse importante de zgomot in circuitele alimentate de stabilizator.
2.2.3. Comparatorul
Figură 1. Comparator
Una dintre aplicatiile Amplificatoarelor operationale o reprezinta comparatorul. Practic, putem spune ca ieşirea unui AO va fi saturata pozitiv daca intrarea pozitiva (+) este mai pozitiva decât cea negativa (-), şi saturat negativ daca intrarea (+) este mai puţin pozitiva decât intrarea (-). Cu alte cuvinte, amplificarea foarte mare în tensiune a unui AO, înseamna ca acesta poate fi folosit pentru a compara doua tensiuni (una reprezentând o marime de stare şi alta un punct de referinţa), şi folosirea semnalului de la ieşire pentru semnalizarea cazului în care exista o diferenţa între cele doua semnale de intrare.
Comparatorul cu AO de mai sus, compara tensiunea de la intrare cu o tensiune de referinţa stabilita printr-un potenţiometru (R1). Daca Vintrare scade sub tensiunea stabilita de R1, ieşirea AO se va satura la +V, iar LED-ul se va aprinde. Invers, daca Vintrare se afla sub valoarea tensiunii de referinţa, LED-ul va fi polarizat invers, cu -V, şi nu se va aprinde. Daca Vintrare este un semnal de tensiune produs
4
de un instrument de masura, acest circuit comparator ar putea funcţiona precum o alarma de „nivel”, nivel stabilit de R1. În loc de LED, am putea conecta un releu, un tranzistor sau orice alt dispozitiv capabil sa puna în funcţiune un mecanism de acţiune în cazul unei „alarme”.
3. Schema electronica si parametric de functionare a sursei reglabile de tensiune 3.1. Sursa de tensiune de referinta
Figura 2. Sursa de tensiune de referinta
3.1.1. Parametrii de functionare
Sursa de tensiune de referinta prezentata mai sus este alcatuita dintr-un amplificator operational cu dubla reactie (pozitiva si negativa) avand in blucla de reactie negativa Dioda Zenner D1 compensata termic, iar in bucla de reactive pozitiva rezistenta R3.
Sursa de tensiune de referinta prezinta in componenta sa amplificatorul operational LM324 acesta asigurand o rezistenta de iesire foarte mica iar astfel nu afecteaza stabilizarea si precizia sursei.
Pentru o asftel de sursa de referinta este importanta si comportarea si variatia tensiunii de la iesire in functie de variatia temperaturii mediului ambiant. Este foarte importanta o variatie cat mai mica a acestei tensiuni. In cazul prezentat mai sus aceasta variatie este prezentata mai jos:
Figura 3. Variatia cu temperatura a tensiunii de la iesirea sursei de referinta
5
3.1.2. Tensiunea de la iesirea sursei Tensiunea de la iesirea sursei de tensiune de referinta respective tensiunea zenner este dedusa
mai jos:
{
Tensiunea de la iesirea Sursei reglabile de tensiune o alegem 15V astfel vom obtine tensiune de referinta
Dioda Zenner care permite obtinerea unei astfel de tensiuni la iesirea sursei de referinta va trebui sa aiba o tensiune Zenner de polarizare inversa a jonctiunii: .
3.2. Comparatorul
Figura 4. Comparatorul
3.2.1. Parametrii de functionare
Amplificatorul operational din circuitul prezentat in figura de mai sus se comporta ca un comparator ce compara tensiunile de la cele doua intrari: inversoare si neinversoare. Un astfel de comparator are de semnalizare a depasirii unor praguri de functionare normala a circuitului functionand pe post de alarma.
Acest comparator compara o tensiune de referinta cu tensiunea furnizata de circuitul de
iesire din cadrul sursei reglabile modelat in cazul de mai sus prin poteniometrul R1. Tesiunea de referinta este data de relatia:
fiind practic caderea de tensiune pe rezistenta R1. Valoarea acestei tensiuni de referinta este, pentru o tensiune de alimentare de 12V, de . Astfel in cazul aplicarii unei tensiuni mai mari de
8.17V la cealalta intrare a comparatorului vom obtine la iesirea acestuia o tensiune pozitiva care sa permita semnalizarea depasirii tensiunii de referinta.
6
3.2.2. Eroarea de comparare
Figură 5. Eroarea de comparare
Eroarea de comparaţie, exprimata ca o abatere faţa de valoarea U1, cu care se compara U2=const., este:
unde ud1 este decalajul de tensiune raportat la intrare, termenul al doilea al relaţiei – zona de incertitudine, iar al treilea termen al relaţiei, semnalul pe nod comun incomplet rejectat.
3.3. Amplificatorul cu reactie
3.3.1. Principiul reactiei paralel-serie
Figură 6. Amplificator cu reactie negativa paralel - serie
In figura de mai sus este prezentata o bucla de reactie negativa de tip paralel la iesire , serie la intrare. Reactia este asigura de catre rezistentele R11 si R12 acestea constituind cuadripolul de reactie al circuitului.
Prin intermediul acestei reactii negative se asigura o amplificare mult mai stabila a circuitui, o data cu cresterea stabilitatii crescand si banda de frecvente de functionare a amplificatorului.
3.4. Circuite de redresare
3.4.1. Puntea de diode
7
Figură 7. Punte de diode, prezentare teoretica
Puntea de diode este un aranjament de patru diode intr-o punte de configurare care ofera aceeasi polaritate a semnalului de iesire pentru fiecare alternanta a semnalului de intrare. Atunci cand este folosita in cele mai obisnuite aplicatii ale ei, pentru transformarea semnalului de intrare alternativ (AC) intr-un semnal de intrare continuu, ea este cunoscuta ca o punte redresoare. Aceasta realizeaza o redresare a ambelor alternante ale unui semnal de intrare alternativ.
Principala caracteristica a unei punti de diode este aceea ca polaritatea semnalului de iesire este aceeasi indiferent de polaritatea semnalului de intrare.
Are ca principal rol realizarea redresarii tensiunii alternative de la intrarea circuitului.
4. Simularea cicuitului
In urma simulari Spice a circuitului se observa functionarea in parametric normali a acestuia. In cele ce urmeaza am atasat o imagine a circuitului ce a fost “simulat” folosindu-ne de simulatorul Multisim.
Variatia tensiunii de la iesirea montajului in functie de valoarea rezistentei potentiometrului R5 se prezinta astfel:
8
5. Informatii privind proiectarea cablajului Cablajul a fost realizat folosind softul PADS Layout avandu-se in vedere normele de proiectare
impuse de firma responsabila cu imprimarea si realizarea placilor. Acesta este prezentat in figura de mai jos:
