STABILIZATOARE Sistemul electronic care menţine invariante în timp caracteristicile semnalelor de ieşire

în condiţii de variaţie, în domenii specificate, a mărimilor de intrare poartă numele de stabilizator

Clasificări: după mărimea stabilizată: - de tensiune continuă sau alternativă - de curent - de frecvenţă - de intensitate luminoasă după metoda de comanda a elementului de stabilizare : - cu acţiune continuă (liniare) - cu acţiune discontinuă (în comutaţie) după modelul de conectare a elementului regulator în raport cu sarcina - cu element de reglare serie - cu element de reglare paralel după metoda de stabilizare distingem stabilizatoare : - în buclă deschisă (parametrice) - în buclă inchisă(cu reacţie) Pot fi realizate şi alte clasficări în funcţie de performanţele obţinute la ieşirea

stabilizatorului (după numărul de semnale de ieşire, energia semnalului, precizia mărimilor de ieşire în funcţie de reacţia mărimilor de intrare şi a temperaturii)

Principii : Vom analiza stabilizatoarele cu referire la stabilizarea tensiunilor.

Schema bloc ale unui stabilizator liniar de tensiune cu element de reglare serie, cu bucla

de reactie.

Schema bloc ale unui stabilizator liniar de tensiune cu element de reglare paralel, cu bucla de reactie.

In schemele bloc prezentate prin ER s-a notat elementul de reglare si daca se realizeaza urmatoarele modificari :

• se elimina amplificatorul de eroare (AE), • se elimina circuitul de masura a tensiunii de iesire (R1,R2), • se conecteaza referinta (REF) direct la elementul de reglare,

se obtin schemele bloc ale stabilizatoarelor parametrice cu element de reglare serie respectiv cu elementul de reglare paralel.

Parametrii stabilizatoarelor de tensiune liniare Parametrii stabilizatoarelor de tensiune se pot clasifica în :

Valori limită absolută • tensiunea maximă de intrare • puterea disipată • domeniul temperaturii ambiante de funcţionare • domeniul temperaturii de stocare • Caracteristici electrice :

a) limitele de intrare şi ieşire - tensiune de intrare - tensiune de ieşire - diferenţa de tensiune intrare-ieşire - curentul de vârf la ieşire - curentul de ieşire în scurtcircuit - curentul de consum în gol b) precizia cu care se controlează nivelul semnalului de ieşire se apreciază în principal

după factorul de stabilizare în raport cu tensiunea de intrare şi factorul de stabilizare în raport cu sarcina. Consideram:

( , )

S R

S S R S

S SS r

R SR ct U ct

U U U R

U UdU dU dRU R

= =

=

∂ ∂= +∂ ∂ S

Pentru variaţii finite

1 1S R

S S S S SR R

S R S R S S SR ct U ct

S SR

S u R R S

U U U R RU UU U U U R U R

U RUU F U F R

= =

∆ ∂ ∂ ∆∆= +∂ ∂

∆ ∆∆= +

⇒

R

Ru

S

S Rs ct

UUF UU

=

∆

=∆

R

S

SR

S

S U ct

RRF UU

=

∆

=∆

La un stabilizator ideal acesti factorii de stabilizare sunt infiniţi. Eficienţa unui stabilizator poate fi apreciată şi prin intermediul altor doi parametrii :

- coeficientul de stabilizare So

- rezistenţa de ieşire a stabilizatorului Ro Consideram ca :

( , )

S R

S S R S

S SS R

R SI ct U ct

U U U I

U UdU dU dIU I

= =

=

∂ ∂= +∂ ∂ S

Pentru variaţii finite

00

0 0

1

,

S R

S R

S SS R S R

R SI ct U ct

SR

S SI ct U ct

U UU U I UU I S

UUS RU I

= =

= =

∂ ∂∆ = ∆ + ∆ = ∆ − ∆

∂ ∂

∆∆= = −∆ ∆

SR I

( 0R are valoare negativă deoarece daca ) ↓↑⇒ SS UIPresupunem ca: ⇒∆=∆== SSSSSSS IRUIRUctR ,,

0

0

00

1

1

RS S

S

RS

S

RUU US R

UU RSR

∆∆ = − ∆ ⇒

⎛ ⎞⎜ ⎟∆ ⎜ ⎟∆ = ⇒⎜ ⎟+⎜ ⎟⎝ ⎠

Concluzie : Pentru o buna stabilitate trebuie ca: şi ↑0S 0R ↓ Un alt parametru important, în special pentru sursele în comutaţie este randamentul de

alimentare :

⎩⎨⎧

==

= alimentare desursa la deconsumata puterea

debitataputerea unde

i

o

i

o

PP

PPη

Exemple de scheme de stabilizatoare implementate cu componente discrete Datorita absentei reactiei negative prformantele stabilizatoarelor parametrice sunt scazute (utilizarea reactiei negative reduce cu (1 )r Aβ− valoarea impedantei de iesire R0 si multiplica cu acelasi factor factorul de stabilizare S0). Stabilizator parametric cu element de reglare serie

Tensiunea de iesire are valoarea : 0 DZ BU U U E= − , schema de regim dinamic fiind prezentata in continuare:

Se pot scrie relatiile:

( )R B DZ DZ DZ

RDZ B

DZ DZ

U R I I r IU RI I

R r R r

∆ = ∆ + ∆ + ∆

∆⇒ ∆ = − ∆

+ +

0

dar 1

DZ DZ B

SB

U r I r III

π

β

∆ = ∆ − ∆

∆∆ = ⇒

+

0 00

0 0

1 1||unde: S 1 si R1

S SR RDZ S

DZ DZ

DZ

DZ

I IU URU r r I RR r R r S

r R rRr

π

π

β β

β

⎛ ⎞∆ ∆∆ ∆∆ = − − = −∆⎜ ⎟+ + + +⎝ ⎠

+= + =

+

Concluzie: 0 0 si R , DZS R rβ↑⇒ ↑ ↓⇒ ↑ ↓ Stabilizator parametric cu element de reglare paralel

Stabilizatoare integrate In general stabilizatoarele cu bucla de reactie se implementeaza cu structuri integrate (datorita pretului scazut al acestora). Schema bloc a unui stabilizator integrat din prima generatie este prezentata in continuare.

Figura Structura circuitului integrat µA723

(din prima generatie) Cu aceasta structura se pot implementa schemele de stabilizator cu reactie atat pentru tensiuni pozitive cat si pentru tensiuni negative (pentru aceasta situatie structura a fost prevazuta cu o dioda Zener), in configuratie cu element de control serie sau paralel. Structura contine si un tranzistor pentru implementarea protectiei la supracurent (metodele de implementare sunt tratate in capitolul Protectia stabilizatoarelor) Parametrii:

• Referinta (UREF=7.15V , IREF=15mA) • Dioda Zener (UDZ= 6.2V, IDZ=25mA) • Amplifiactorul de eroare (A=74-86dB, tensiune diferendiala de intrare +/-5V) • Curentul maxim al tranzistorului de reglare 150mA • Tensiune diferentiala intrare –iesire 3-38V • Domeniul tensiunii de iesire 2-37V • Tensiune diferenriala de alimentare 40V • Putere pe integrat 800mW

Configuraţia standard de stabilizator cu reactie de tensiuni mici ( )REFo UU ≤

REFo URR

Ru21

2

+=

(R1 si R2 se refera la cele doua valori precizate de pozitia potentiometrului) (reglajul se realizeaza pe tensiunea de referinta) Configuraţia standard de stabilizator cu reactie de tensiuni mari ( )REFo UU ≥

REFo URRu ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

1

21

(R1 si R2 se refera la cele doua valori precizate de pozitia potentiometrului) (reglajul se realizeaza pe tensiunea de iesire) Configuraţia de stabilizator pentru tensiuni negative, cu reactie si element de

reglare serie

3 42

1 2 4o REF

R RRu UR R R

⎛ ⎞⎛ += − ⎜ ⎟⎜+⎝ ⎠⎝

⎞⎟⎠

Configuratie de stabilizator cu element de reglare paralel si cu reactie

REFo URR

Ru21

2

+=

Stabilizatoare integrate cu trei terminale Stabilizatoarele cu trei terminale pot fi clasificate în:

• stabilizatoare care pot furniza o tensiune de ieşire într-un anumit domeniu (pozitiv sau negativ)

• stabilizatoare de tensiune fixă

Figura Schema bloc a unui stabilizator din a doua generatie

Din prima categorie un tip reprezentativ sunt circuitele din seria µA78__ (pentru tensiuni positive) şi µA7900 (pentru tensiuni negative) produse de firma Fairchild.

Ultimele două cifre înscrise pe integrat reprezintă tensiunea fixă pe care o furnizează la ieşire. Prin caracteristicile tehnice şi prin specificul aplicaţiilor stabilizatoarele din această categorie sunt o verigă de legătură între stabilizatoarele din prima şi a doua generaţie.

Comparativ cu stabilizatoarele din prima generaţie stabilizatoarele din a doua generaţie prezintă suplimentar următoarele avantaje:

- conţin integrate circuitele de protecţie (termică, la suprasarcină, funcţionarea tranzistorului de reglare serie în plaja de siguranţă)

- conţin integrate reţeaua de compensare în frecvenţă, furnizează la ieşire curenţi de ordinul amperilor

- în aplicaţii uzuale necesită cel mult trei componente pasive.

Schema de principiu a seriei µA7800

Tot din această categorie se prezintă schema bloc a circuitelor LM317 (pentru tensiuni positive) şi LM337 (pentru tensiuni negative) produse de firma National Semiconductor.

Pentru LM317:

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

==

ADJBA

BREFo

ADJ

REF

IRRRVu

AIVV

1

502.1µ

Pentru LM337:

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

==

ADJBA

BREFo

ADJ

REF

IRRRVu

AIVV

1

6525.1µ

Extinderea domeniului curentului de ieşire cu un transistor extern

Tranzistorul T2 si rezistenta RSC reprezinta protectia la supracurent. Tranzistorul T1

furnizează cea mai mare parte a curentului debitat în sarcină.

( )

( ) 11

1

++

−++=⇒

⇒⎪⎩

⎪⎨

⎧

+=+++

+=⇒

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

⋅=

+==++

+=+=

ββ

ββ

β

A

sc

A

BEADJo

oL

ADJoBA

BscBE

oBL

BC

ADJoiBA

EscBE

CBE

oCL

RR

RUII

II

IIIR

IRUIII

II

IIIIR

IRUIIIIII

În cazul în care nu se utilizează protecţia la supracurent valoarea curentuluiare expresia:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−++=

A

BEADJoL R

UIII ββ 1

Distribuţia curentului de ieşire pe cele două componente şi este dependentă de oI CIβ . Dispersia valorilor acestui parametru poate crea neplaceri care pot fi evitate utilizând următoarea schemă:

În ipoteza că avem: DBE UU = ADJRRLB

C

R

R IIIIRR

II

CB

C

B −+=⇒= . Dacă

ADJC

BEADJo

B

CL I

RUII

RRI −⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=⇒⟩⟩ 11β

Extinderea domeniului tensiunii de intrare Metode:

Alimentarea stabilizatorului cu o tensiune superioară tensiunii de intrare maximă admisă se poate realiza în mai multe moduri dintre care specificam:

• O prima metoda presupune utilizarea unui prestabilizator de regulă parametric de tip serie ca în figura urmatoare

Tensiunea de intrare în stabilizator trebuie să îndeplinească condiţia:

. max 1 iBEDZ VUUV <+=• A doua metoda este utilizarea unei diode Zener de curent mare (simulata

electronic.)

max 1)( VUUU BEDZr <+−

• A treia metoda este de a utiliza un generator flotant de curent.Aceasta metoda este cea mai des utilizata in aplicatiile industriale (echipamentele pot sa opereze intr-o plaja larga de tensiuni- valori industriale: +24V/+48V). Diferentele dintre tensiunea de alimentare si tensiunea maxima admisa, de intrare, a stabilizatorului este suportata de elementul de reglare al generatorului de curent.

Stabilizatoare de curent

Cu ajutorul stabilizatoarelor de tensiune cu trei teminale se pot realiza stabilizatoare de curent. Sunt prezentete cele mai uzuale scheme de aplicatie (generatoare de curent flotante).

Exemple de stabilizatoare de curent realizate cu LM317/337 • stabilizator de curent debitat

[ ] mAkRVI

RVI ADJ

REFo ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ +Ω

=+= 05.02.1

În mod similar utilizând LM337 se poate obţine un stabilizator de curent absorbit: Stabilizatoare de tensiune duale (cu urmarire) Reglajul se realizeaza numai pentru sursa de tensiune negativa (sursa de tensiune

pozitiva urmareste nivelul tensiunii negative (prin mentinerea punctului de masa, rezistentele R1+ si R2+ avand valori identice)

Referinte de tensiune Spre deosebire de stabilizatoarele de tensiune (la care se cere un R0 mic si un S0 relativ mare, la referintele de tensiune accentul se pune stabilitatea tensiunii de iesire, impedanta de iesire avind o importanta mai mica (referintele de tensiune nu furnizeaza de obicei curenti importanti). Performantele de stabilitate ale referintei de tensiune (se cere in general un coeficient de variatie <0.01%/gradC) influenteaza in mod direct performanta stabilizatorului. Unul dintre parametrii cei mai importanti care influentaza stabilitatea referintelor de tensiune este temperatura. Vor fi analizate cele mai importante metode de implementare a referintelor de tensiune. Referinta de tensiune tip dioda Zener Se stie ca dioda Zener are un coeficient de variatie cu temperatura pozitiv, a carui variatie este prezentata in figura urmatoare

Parametrii:

• IZmin – depinde de tipul diodei • iZmax – depinde de puterea maximă disipată admisibilă •

maxmaxd ZP i= Zu

• rZ – rezistenţa dinamică 100ZZ

z

uri

∆= < Ω∆

• ϑ Uz – coeficientul de variaţie cu temperatura a tensiunii (acest coeficient are valoare pozitiva si se remarca din diagrama ca acesta este mai mare cu cât tensiunea UZ este mai mare, uzual 3.5mV/grad C)

• capacitatea de barieră Cb – de valoare mare (pF) - zgomot – dioda Zener are un nivel mare de zgomot - UZ ∈ (2,7 . . . 100)V – tensiunea Zener

Diodă Zener polarizată prin rezistenţă

Determinarea performanţelor de regim dinamic

• Variaţia curentului de ieşire i0 Presupunem că ( 0 u)

0)ru∆ = r=constant şi tensiunea pe dioda Zener UZ=constanta

. Se pot scrie relaţiile: ( ZU∆ =

0

0

0 00

000

0 Se deduce impedanta de iesire

ZrZ

r

r Z

Z Z ZZR r

u Zu

R i ui i iu r i u r RR r

i r R >>∆ =∆ =

= ⋅∆ + ∆

∆ = ∆ −∆ ⇒∆ = ⋅∆ ∆ ⋅

= =∆ +

• Variaţia tensiunii de intrare ur

Presupunem că curentul de sarcină iS =constant 0( i 0)∆ = şi tensiunea pe dioada Zener este constantă UZ=const. ( 0)Zu∆ = .O variaţie a tensiunii de intrare produce o variaţie a curentului care parcurge dioda Zener. Se pot scrie ecuaţiile :

0

0

0

0000

Z

Z

r r

r Z

Z Z

r r Z r ZR r

i Z r Zu

u R i ui i

u r i

u R i r i R r

Z

RSu r i r >>

∆ =∆ =

∆ = ⋅∆ + ∆⎧⎪ ∆ = ∆⎨⎪ ∆ = ⋅∆⎩

∆ ⋅∆ + ⋅∆ += = =∆ ⋅∆ r

• Variaţia tensiunii Zener UZ

Se presupunem că tensiunea de intrare ur ( 0)ru∆ = şi curentul de ieşire iS sunt constante. O variaţie a tensiunii pe Zener U

0( 0i∆ = )Z , în funcţie de temperatură se traduce

printr-o variaţie a tensiunii de ieşire. Se pot scrie relaşiile:

0

0

0

0 0

00

0

Se deduce deriva termica:

r

r

r Z

Z Z Z

ZT

u Zi

R i ui iu r i u

u u uKT u T∆ =

∆ =

= ⋅∆ + ∆⎧⎪∆ = ∆⎨⎪∆ = ⋅∆ + ∆⎩

−∆ ∆ ∆= = ⋅ =∆ ∆ ∆

ZR i⋅− ( )Z ZR r i+ Z

Uz Uz UzR rZ

RR r

α α α>>

=+

(deriva cu temperatura este identică cu cea a diodei Zener)

Obs. – acest tip de referinţă este foarte sensibil la variaţia tensiunii de polarizare (Ur) a curentului de polarizare (ir) şi a temperaturii. Pentru a obţine performanţe mai mari este necesara utilizarea unui etej de amplificare. Diodă simulată electronic

( )

2

1 2

1

2

1

REF BE DZ

REF BE DZ

RU U UR R

RU UR

⋅ = ++

⎛ ⎞⇒ = + +⎜ ⎟

⎝ ⎠U

Obs. 1) Se poate obţine REF DZU U>

2) 0, 0 DZ UBET Tα α> < ⇒ se poate obţine o compensare cu temperatura

3) asocierea unui potentiometru reduce influenta cu temperatura

Diodă Zener asociată cu un generator de curent

Performanţe: Pentru dioda DZp din generatorul de curent putem exploata rezultatul obţinut la dioda polarizată prin rezistenţă (calculul lui S0 )

0 00

Zp Zp R BE 0(am facut aproximatiile : >>r ,U =U + U )

Zp ZpiZp r r RT p Zp p

p

r rU u u U

R r R

R

∆ =∆ =

→

∆ = ⋅∆ ⋅∆ ∆+

Pentru variaţia curentului prin dioda Zener DZ

0 00

ZpRiZ rT p

rUi uR R

∆ =∆ =

∆∆ ≅ ⋅∆

Pentru tensiunea de ieşire obţinem

0

2

00 ( )0

0 2

0

Z Zp

Z Zp Zi Z Z r r rT p p

p

Z

Z

r r rU r i uR R R R

R RS

rR r

∆ ==∆ =

⋅∆ = ⋅ ⋅∆ ⋅∆

⋅ ⋅

⋅=

⇒

ru

Referinţe de tensiune in structuri integrate În structurile integrate referinţele de tensiune se realizează prin mai multe metode având la bază două principii de implementare. A – înserierea unor tensiuni ale joncţiunilor BE ale tranzistorelor cu tensiunea unei diode Zener (la diodele Zener coeficientul de variaţie cu temperatura este pozitiv 2,2.....3 mV/˚C şi depinde de mărimea lui UZ , iar la joncţiunile BE ale tranzistorelor NPN este negativ -2,1 ..... -1,5 mV/˚C şi depinde de nivelul curentului de emitor care străbate joncţiunea ). Dioda Zener se obţine prin polarizarea inversă a unei joncţiuni BE.

B – înserierea unor tensiuni ale joncţiunilor BE ale tranzistorelor cu diferenţa tensiunilor BE ale unor tranzistore care funcţionează cu densităţi de curent diferite, multiplicate cu un factor (referinţă de tip bandă interzisă, eng. : band – gap ). În figura următoare este prezentată metoda A (metoda de principiu) , utilizată la integratele stabilizatoare de tensiune ROB 305 (ICCE ), LM100 (Naţional Semiconductor)

( )

[ ]

;

( )

M DZ BE N BE

n mREF Z BE BE

m n m n

nZ BE BE

m n

U U m U U n UR RU V mU nU

R R R RRV m n U nU

R R

= − ⋅ = ⋅

= − + ⋅+ +

= − + ++

=

Înserierea unui număr de diode asigură nivelul de ieşire al tensiunii de referinţă. Presupunând că rezistenţele au acelaşi coeficient de variaţie cu temperatura condiţia ca

0REFUT

∂=

∂ impune condiţia :

...

n

n mm

n

n m

REF

R nR R m nR m k k

Rm m kR nR R m n

V

⎧ =⎪

k

+ + −− ⎪⇒ = ⇒ ⎨ −⎪ =⎪ + + −⎩

⇒ =

(stimati colaboratori … are semnificatia ca trebuie sa inlocuiti ultimile relatii in formula initiala) Tensiunea de referinţă care se obţine este mai mică decât UDZ (UDZ la tranzistor 6,2V .... 7V ), de obicei se realizeaza tensiuni cu valori < 2 V.

• O referinţă de tensiune negativă (ex. : ROB 304 ) este prezentată in continuare:

Dioda Zener polarizată rpin generatorul de curent ( I ) asigură o tensiune

pentru generatorul de curent constant realizat cu Curentul I

1A DZ BV U U= − E

R2 3 1 2 3 , , R , R , R Q Q

3 produce valoarea tensiunii de referinţă 3 4REFV I= − ⋅ Mărimea curentului I3 se determină cu relaţia:

3 2

3 3

31 2 3 2 2 2

22 2 2 3 3

3 2

( 1

( 1) ( 1)

;BE BE

c

cA c BE BE c

cc BE c

q U q UkT kT

c c

I I

IV R I U U R I

II R U R I

I e I e

β )β β

β ββ β⋅ ⋅

=⎧⎪

⎛ ⎞

β

+⎪ = + + + + ⋅ ⋅⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎪⎨ ⎛ ⎞+ +⎪ ⋅ ⋅ + = ⋅ −⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎪⎪ = =⎩

Generatoarele prezentate prezintă impedanţe de ieşire de ordinul kΩ, valoare care nu permite generarea unor curenţi foarte mari. Acest impediment poate fi înlăturat prin introducerea diodei Zener în bucla de reacţie a unui amplificator. Schema de principiu (utilizată sub diferite forme de implementare la stabilizatoare de tensiune LM 723, MC 1468 sau βL100 – circuit pentru comanda în cascadă a diodelor) este prezentată in figura următoare:

1REF DZ BEU U U= +

Amplificatorul este tranzistorul Q1 care are în colector un generator de curent (sarcină activă). Repetorul pe emitor Q2 asigură curentul de ieşire şi reduce impedanţa de ieşire de β2 ori. Rezistenţa R1 asigură polarizarea diodei DZ la un curent constant. Evitarea intrării în oscilaţie la frecvenţe înalte (datorită valorii mari a amplificării) se realizează prin introducerea unei reţele de compensare în frecvenţă ex.: βL100

Referinţă de tensiune de tip bandă interzisă În stabilizatoarele de tensiune obţinerea tensiunii de ieşire cu o dispersie rezonabilă constituie o problemă tehnologică. În consecinţă s-a apelat la un parametru de care să depindă UREF uşor de controlat (tensiunea BE a unei joncţiuni polarizată direct). Deoarece acest parametru are coeficient de variaţie cu temperatura negativ pentru compensarea termică, tensiunea UBE trebuie însumată cu o tensiune cu coeficient de temperatură pozitiv. Această tensiune este dată de diferenţa dintre tensiunile BE a doua tranzistore care funcţionează la densităţi de curent diferite. Diferenţa de tensiune se multiplică cu un factor pentru o echilibrare a coeficienţilor de temperatură.

Tensiunea UBE – Cunoscând valoarea sa, UBE0 , măsurată la un curent de colector Ic0 şi

o anumită temperatură T0 , i se poate determina valoarea sa pentru orice curent IC şi orice temperatură T prin relaţia:

00

0 0 0

1 lng CBE BE

C

E

0

ln IT T kT T kTU U Nq T T q T q I

⎛ ⎞= − + + +⎜ ⎟

⎝ ⎠

unde : - Eg0 – banda de energie interzisă a Siliciului la 0 grade Kelvin - q – electronului - k – constanta lui Boltzman

1 2BE BE BEU U U∆ = − . Pentru densităţi de curent diferite J1 > J2 prin joncţiunile BE ale tranzistorelor Q1 şi Q2

, (identice sub aspectul geometriei , al profilului de impurităţi şi al temperaturii ) se obţine:

1

2

lnBEJkTU

q J∆ =

Dacă 1 2 1 2R R J J> ⇒ > şi are un coeficient de temperatură pozitiv. Căderea de tensiune pe rezistenţa R

BEU∆1 are valoarea:

2 23

3 3

0 2 10

0 0 3 2

de unde se obtine

1 ln

REF BE REF BE BE

gBE

R RU U U U UR R

E R JT T kTUq T T R q J

= ∆ = + ∆ =

⎛ ⎞= − + +⎜ ⎟

⎝ ⎠

(ultimii doi termeni din relaţia lui UBE au fost neglijaţi, influenţa lor fiind mică) În domeniul temperaturii de funcţionare a CI variaţia cu temperatura a lui Eg0 este neglijabilă (2,4 10-4 eV/K). Derivând ultima relaţie se găseşte condiţia :

0 2 10

3 2

lngBE

E R JkTUq R q

= +J

Un alt tip de referinta de tensiune integrata este prezentata in figura urmatoare, schema avand prezentat si circuitul de initializare.Initializarea schemei este asigurata de dioda Zener Dz1 polarizata prin rezistenta R1. Ca efect tensiunea de pe aceasta dioda polarizeaza tranzistorul Q1. Curentul de colector al tranzistorului Q1 prin intermediul tranzistoarelor Q2 si Q3 (care formeaza o “oglinda de curent”) asigura polarizarea diodei zener Dz2. In momentul in care tensiunea pe Dz2 devine mai mare ca tensiunea pe dioda Dz1 dioda D1 se blocheaza si sistemul de initializare (Dz1) este deconectat. Aplicand principiul superpozitiei asupra divizorului format de rezistentele RA si RB se poate exprima valoarea tensiunii de referinta

Pentru ca tensiunea de referinta sa nu depinda de temperatura (in ipoteza ca valoarea rezistentelor nu variaza cu temperature), trebuie indeplinita conditia impusa de relatia urmatoare:

Admitand ca sunt indeplinite conditiile:

deducem conditia pe care trebuie sa o indeplineasca cele doua rezistente:

Se stie ca coeficientul de variatie cu temperature pentru diode si jonctiunile BE ale tranzistoarelor are valoarea de –2mV/°C, pentru diodele zener acest coeficient fiind de 3.5mV/°C. De remarcat ca coeficintul de variatie cu temperatura a tensiunii de referinta este nul diodele D2 si D3 prezinta un coefficient de variatie cu temperatura global de -4mV/°C. De asemena se stie ca in circuitele integrate rezistentele difuzare prezinta un coeficient de variatie cu temperature pozitiv aspect care conduce la stabilizarea curentului prin rezistenta RB si prin dioda zener Dz Protectia stabilizatoarelor In functionarea echipamenteloe electronice sunt situatii in care pot aparea regimuri de suprasarcini , supracurenti sau supratensiuni cu efecte care conduc la defectarea sarcinilor sau a sistemelor de alimentare. In continuare vor fi analizate cele mai importante fenomene care pot apare si cele mai eficiente metode de prevenire, cu referire in principal la metodele care sunt aplicate la stabilizatoarele din a doua generatie. In general nu vor fi prezentate metodele in care dispozitivele de protectie au o actiune lenta sau au o fiabilitate mica. Evident nu se iau in discutie nici metodele neeconomice (prioectare supradimensionata sau care disipa energie termica). Principalele cauze care produc situatiile specificate tin de operarea gresita a echipamentelor, defectarea unor componente, fenomene aleatoare. Protectia termica Metodele de protectie termica ale circuitelor integrate se bazeaza in principiu pe variatia parametrilor unui tranzistor in functie de temperatura. Principalii parametrii care au o variatie importanta cu temperatura sunt:

• ICB0, are o variatie exponentiala, mai mare la tranzistoarele cu Ge • UBE, valoarea sa se diminueaza in functie de temperatura variatia fiind mai mare la

tranzistoarele cu siliciu • β .

Variatia aestor parametrii cu temperatura are drept consecinta deplasarea in sus, pe caracteristica a punctului static de functionare. Unul dintre principiile de protectie termica (comanda directa asupra elementului de reglare) care se aplica la stabilizatoare este prezentat in urmatoarea schema.

Functia de senzor este indeplinita de tranzistorul TT plasat pe integrat in vecinatatea tranzistorului TER care indeplineste functia de element de reglare (principala sursa de caldura). Baza tranzistorului TT este prepolarizata la o tensiune de circa UB=300-400mV. La temperatura camerei (T=25 grad C) curentul de colector al acestui tranzistor este de circa 4 ordine de marime mai mic decat curentul I debitat de generatorul de curent. In aceasta situatie se poate afirma ca tranzistorul TT este practic blocat. Considerand marimile I si UB

independente de temperatura curentul IB de polarizare a bazei trazistorului TER scade odata cu cresterea temperaturii dupa o lege de tip exponential: Tbn

CCB eaTIITI /4)25( 0)( −−−=

unde a, b, n sunt constante care depind de factori tehnologici ai tranzistorului TT (material, geomeria sa, tipul procesului tehnologic prin care a fost realizat, etc.). In momentul in care temperatura jonctiunii atinge valoarea maxima admisibila ( 150-200 grad C) curentul IB devine suficient de mic pentru a bloca tranzistorul TER. Introducera unui hysterezis elimina oscilatiile in jurul temperaturii maxime admisibile.Cea mai simpla metode de introducere a hysterezisului consta in cresterea tensiunii UB cu cateva zeci de milivolti in momentul blocarii tranzistorului TER. Protectia la supracurent sau la suprasarcina Protectia stabilizatorului la scurt circuit la iesire sau la suprasarcina se realizeaza prin limitarea curentului de iesire. Cea mai simpla metoda de protectie (utilizata la schemele din prima generatie) se bazeaza pe utilizarea unor elemente semiconductoare (diode sau tranzistoare) care limiteaza curentul prin elementul de reglare. O schema care utilizeaza diode este prezentata in continuare

Curentul de scurtcircuit este limitat la valoarea 2BE SC SC DU R I U+ = O schema care utilizeaza un tranzistor Tp este prezentata in continuare

Tranzistorul Tp se deschide la UBE=0,6 - 0,7V. În această situaţie joncţiunea BE a

tranzistorului TER este scurtcircuitată.

SC

BESC R

UI ≈

astfel se obţine următoarea caracteristică :

Dezavantaje: • puterea disipata de elementul de reglare este mare :

SCid IuP = • marirea nejustificata a impedantei de iesire fapt care conduce la diminuarea stabilizarii

de sarcina. • marirea diferentei de tensiune minima intrare–iesire necesara cu UBE

Metoda de protecţie a elementului de reglaj la scurtcircuit si la putere disipata O schema de protectie care poate fi utilizata la stbilizatoarele din prima generatie (structuri integrate in care nu avem acces la baza trenzistorului element de reglare) este prezentata in continuare:

Analizand schema de protecţie se pot scrie următoarele relaţii :

⎪⎩

⎪⎨

⎧

+=+

=

0

`2

`1

`2

uIRVRR

RVV

SCX

XB

şi 0`uVU BBET

−= de unde se deduce expresia curentului :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

+=⇒

+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−+

= `2

`1

`2

`1

`2

0

`2

`1

`2

`2

`1

`2

0

11

RR

RU

RRR

uI

RRR

R

RRR

uUI

SC

BEOM

SC

BE

caracteristica tensiunii funcţie de curent va arăta astfel :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= `

2

`11

RR

RU

ISC

BESC

se remarcă faptul ca ISC<IOM. La stabilizatoarele de tensiune din a doua generatie dezavantajele prezentare sunt atenuate prin reducerea caderii de tensiune pe rezistenta de scurt circuit necesara deschiderii tranzistorului Tp. Sunt prezentate cateva solutii:

1

_ _2

1 [(1 ) ]SC BE Tp BE ERSC

RI UR R

= + −U

Se remarca reducerea dependentei cu temperatura a curentului maxim de iesire (raportul rezistentelor R1/R2 este subunitar) Pentru limitatorul de curent prezentat in figura urmatoare:

expresia curentului maxim de iesire are expresia:

2_ _

1 2

1 [ ]SC BE Tp BE ERSC

RI U UR R R

= −+

Dependenta cu temperatura a curentului de iesire se elimina complet cu schema de principiu prezentata in continuare (stabilizatoarele din seria 7900):

Generatorul de curent I’ polarizeaza baza tranzistorului T2. Curentul de emitor al acestui tranzistor se are doua componente (curentii de polarizare ai tranzistoarelor T1 (si prinrezistenta RB) si TER. Cand curentul I absorbit de generatorul comandat este nul tranzistorul T1 este blocat, intregul curent al lui T2 contribuie la curentul Io. Sesizarea curentului maxim prin rezistenta Rsc comanda cresterea curentului I. Ca urmare are loc o diminuare a curentului de baza al tranzistorului TER prin doua efecte:

• cresterea curentului prin RB

• limitarea curentului prin tranzistorul T1 (o parte din curentul I’ va fi deturnat de T1)

Prin urmare se va atinge o valoare limita maxima a curentului de polarizare a tranzistorului regulator si implicit a curentului de iesire.

Controlul ariei de functionare sigura (Safe Operating Area) Puterea consumata de circuitul de stabilizare este foarte mica in comparatie cu puterea disipata de elementul de stabilizare. Planul caracteristicii Ic(Uce) al elementului de reglare este aproximativ identic cu planul caracteristicii Io(Ui-Uo) al stabilizatorului. Limita de putere a capsulei imparte acest plan prin hiperbola

max0

0

D

I

PIU U

=−

Cu cat punctul static de functionare al tranzistorului serie este in aria de sub curba PDmax cu atat mai mult capsula tranzistorul este capabila sa elimine caldura produsa prin disipatia de putere interna. De obicei aceasta zona contine si zona de siguranta a tranzistorului (SOA). A proteja tranzistorul la depasirea puterii interne disipate maxime admise revine la a asigura functionarea acestuia in aria de functionare sigura. Constructia circuitelor care indeplinesc aceasta functie se bazeaza pe o schema de protectie la supra curent ,care au fost descrise. Cand tensiunea intrare- iesire depaseste valoarea Uz+Ube prin rezistentele R1, R2 incepe sa circula un curent care reduce caderea de tensiune care este necesara pe rezistenta Rsc, de a deschide tranzistorul de protectie Tp . Ca urmare curentul maxim furnizat de stabilizator se reduce si implicit si puterea interna disipata de elementul de reglare serie.

2_ 0

1 2

1 [ (SC BE Tp r DZSC

R )]I U U UR R R

= − − −+

U

O alta varianta de schema de protectie care nu utilizeaza tranzistorul din protectie de supracurent este prezentata in continuare. Tranzistorul T1 in functionarea corecta este blocat. In momentul in care tensiunea diferentiala intrare iessire depaseste valoarea Udz+Ube tranzistorul se descide blocand elementul de reglare.

Aceste scheme prezinta cateva deficiente dintre care specificam urmatoarele:

• scaderea cu temperatura a curentului maxim de la iesire care poate fi furnizat • posibilitatea producerii unor fenomene de “agatare” in caz de scurt circuit la iesire

(tensiunea de iesire devine zero, tranzistorul TER se satureaza puternic iar circuitul stbilizator nu ii asigura o cale rezistiva de a elimina sarcina stocata in baza sa)

• neutilizarea eficienta a performantelor capsulei tranzistorului de reglare serie (aria cuprinsa intre 1 si curba PDmax reprezinta un procent semnificativ din aria de siguranta)

Aceste deficiente pot fi inlaturate cu schema din figura urmatoare:

Se remarca prezenta prezenta protectiei la supracurent care asigura o invarianta a curentului de iesire in functie de temperatura. Ideea consta in utilizarea unui tranzistor compus, format din doua tranzistoare T1, T2, intre care raportul ariilor emitoarelor este in raport de 9:1. La o diferenta de tensiune diferentiala intrare –iesire mai mica decat 2Udz+Ube cele doua tranzistoare sunt saturate, functionarea limitatorului de curent fiind identica cu

metoda prezentata anterior.Cand 0 2i DZU U U UBE− > − un curent IDZ proportional cu depasirea va circula prin rezistenta R4, ceea ce va produce o diminuare a curentului de colector al tranzistorului T1. Aceasta diminuare se produce dupa o lege neliniara si are ca efect apropierea de deschidere a tensiunii UBE a tranzistorului Tp. In consecinta aceasta lege neliniara, asociata cu caracteristica Io(Ui-Uo) aproximeaza foarte bine caracteristica lui PDmax. Fenomenele de agatare dispar deoarece la disparitia scurt circuitului de la iesire comutatorul se satureaza. Protectia stabilizatoarelor la supratensiune In unele situatii tensiuna de iesire a stabilizatorului poate avea valori care depasesc valoarea maxima admisa, cu consecinte dezastruase pentru sarcina. Cele mai frecvente cauze care pot produce o crestere atensiunii de iesire sunt:

• scurtcircuitarea elementului de reglare • defectarea referintei de tensiune a carei valoare poate lua valoarea tensiunii de

intrare • defectarea unor componente din circuitul de reactie negativa

Protectia la supratensiune se bazeaza pe ipoteza ca stabilizatorul are protectie la supra-curent realizata cu siguranta ultrarapida sau cu o schema electronica care actioneaza asupra elementului de reglare. Metoda consta in realizarea unui scurt pe iesirea sau intrarea (in cazul protectiei cu siguranta) stabilizatorului. Componenta electronica utilizata pentru a genera supra-curentul este tiristorul sau triacul. Metodele sunt prezentate in continuare. Protectia cu fuzibil pe intrare si iesire (protectie Crow-bar) Aceasta metoda este cea mai des utiliza si consta in dintr-un ansamblu compus din siguranta, element de scurcircuitare, detector de supratensiune. Metoda se poate implementa in doua variante ;

Figura Protectie la supra-tensiune cu fuzibil pe intrare

Figura Protectie la supra-tensiune cu fuzibil pe intrare

Implementarea electronica a detectorului de supratensiune si a protectiei Daca atunci tiristorul se va deschide (tens. aprox 1,2V ). Acest lucru va conduce fie la arderea sigurantei fie la intrarea in functiune a protectiei de scurtcircuit a stabilizatorului, caz in care tensiunea de iesire se va reduce la aproximativ 1.2V intr-un timp de 1…2

DZS UU >

secµ .

Sub aceasta structura aceasta protectie nu este recomandata datorita faptului ca schema asigura un curent mic de poarta pentru tiristor scazand capacitatea acestuia de a suporta variatia dI/dt, cauzand distrugerea sa. Se recomanda utilizarea unui amplificator de eroare pentru comanda tiristorului. Solutii: Implementare cu amplificator realizat cu un trazistor

Implementare cu amplificator diferential realizat cu componente discrete

Implementare cu circuitul integrat, stabilizator de tensiune LM723

Implementarea cu circuite specializate

Pentru anumite scheme de comanda a stabilizatoarelor (in special in aplicatiile industriale la care blocul de reglare este realizat cu microcontroler) se pot utiliza circuite specializate, spre exemplu MC34064, MC34164 produse de firma MOTOROLA, a carui structura este prezentata in figura urmatoare

Circuitul are in structura sa un sesizor de supratensiune (realizat cu un divizor rezistiv), o referinta de tensiune de 1.2V si un comparator de tensiune cu histerezis care indeplineste si functia de monostabil (furnizeaza un singur impuls pozitiv), circuitul furnizand la iesire un impuls de reset Protectia la supratensiune si la inversarea tensiunii de alimentare Principalele metode de protectie la inversarea polaritatii tensiunii de alimentare consta din utilizare unui transistor MOS (metoda dedistructiva) sau a unei diode polarizata polarizata invers (metoda care presupune exsistenta unei protectii la supracurent sau a unei sigurante in circuitul de alimentare)

Metodele de protectie prezentate se pot identifica usor pentru stabilizatoarele din seria 7800 si 7900 ale caror scheme de principiu sunt prezentate in continuare