SURSA DE ALIMENTARE STABILIZATA

SURSA DE ALIMENTARE STABILIZATA

Functionarea oscilatorului prezentat in capitolul anterior de bazeaza pe utilizarea energiei de la doua surse de alimentare in curent continuu. In cazul nostru tensiunea continua o vom obtine prin conversia tensiunii alternative din reteaua de distibutie cu frecventa de 50 Hz.

Aceasta conversie se realizeaza cu ajutorul sursei de alimentare a carei schema bloc este prezentata in fig. 4.1

Dupa cum se vede in figura 4.1 inaintea circuitului de redresare propriu-zis se gaseste un transformator care are rolul de a modifica tensiunea de curent alternativ a retelei la nivelul necesar obtinerii tensiunii continue dorite si de a izola oscilatorul alimentat de sursa, de reteaua de curent alternativ.

Dupa circuitul de redresare se intercaleaza un filtru F pentru a extrage componenta continua si pentru a elimina pe cat posibil componentele alternative ce apar la iesirea circuitului redresor.

Stabilizatorul de tensiune va fi de tipul reglator avand un curent maxim admis de 230mA.

Schema electrica utilizata este cea a unui amlificator de reactie. In acest caz tensiunea de iesire se mentine constanta printr-un proces de reglare automata care se desfasoara in doua faze:

Tensiunea de iesire V_ies sau o fractiune din ea kV_ies se compara cu o tensiune de referinta V_ref rezultand un semnal de eroare.

e = V_ref - kV_ies

Semnalul de eroare e amplificat comanda elementul reglator (element de excutie) pentru a restabili tensiune de iesire la valoare precisa V_ies.

Principiile pe care se fundamenteaza constuctia unui stabilizator de tensiune constau in folosirea reglarii automate si in protectia fata de suprasolicitari.

In virtutea acestor principii schema electrica a stabilizatorului de tensiune trebuie sa asigure o serie de conditii care se vor detalia urmarind schema din figura 4.2, schema compusa din urmatoarele elemente:

Sursa de referinta U_REF furnizeaza tensiunea de referinta caracterizata printr-o mare stabilitate in timp si la variatia tensiunii de intrare si a temperaturii precum si printr-un nivel de zgomot redus.

Amplificatorul de eroare A₁ compara tensiunea de referinta cu o parte ssau cu intreaga tensiune de iesire pentru a actiona asupra elementului regulator ER. Amplificatorul de eroare se construieste pe structura amplificatoarelor operationale sau se realizeaza cu tranzistoare.

Elementul regulator ER are functiile:

Mentine tensiune de iesire la nivelul specificat sub controlul amplificatorului de eroare.

Furnizeaza curentul la iesire;

Reduce sau blocheaza curentul la iesire la actionarea circuitului de protectie;

Micsoreaza rezistenta serie a stabilizatorului;

Circuitul de protectie imunizeaza stabilizatorul la cresterea curentului peste o anumita limita la depasirea unei temperaturi limita suportata de elementul regulator, precum si la atingerea puterii limita disipata pe tranzistorul serie.

Pornind de la schema bloc din fig. 4.2 se ajunge la schema electrica de principiu din fig. 4.3.

Functionarea schemei este simpla. Diferenta dintre o fractiune a tensiunii de iesire si tensiunea de referinta V₂ constitue semnalul de eroare, amplificat de tranzistorul T2 de unde rezulta tensiunea stabilizata:

Curentul de iesire al amplificatorului T₂ comanda curentul de colector al tranzistorului T1 si implicit rezistenta lui echivalenta in curent continuu. Variatiile caderii de tensiune de pe aceasta rezistenta echivalenta compenseaza variatiile initiale ale tensiunii de intrare mentinand practic constanta valoarea tensiunii de iesire.

Tranzistorul T3 asigura protectia la suprasarcina, curentul maxim debitat de stabilizator fiind limitat la valoarea:

Din relatia de mai sus se observa ca la atingerea curentului maxim I_OM se deschide tranzistorul T₃ si curentul furnizat de R_B si T₂ este absorsorbit de aceasta marind rezistenta elementului regulator.

O schema mai compleza ce deriva din fig. 4.3 este prezentata in figura 4.4.

In continuare vom prezenta functionarea schemei si algoritmului de calcul al componentelor.

Tranzistorul T₁ poate fi asimilat cu tranzistorul regulator din fig. 4.3. Tranzistorul T₂ constituie amplificatorul detector de eroare el amplificand semnalul de eroare.

e = V_s - kV_ies

In acest caz protectia este realizata cu tranzistorul T₃ si rezistoarele R₄, R₃, R_sc. In acest fel se realizeaza o protectie de tip "cu intoarcere" care protejeaza atat regulatorul serie cat si amplificatorul de eroare. Condensatorul are rolul de a filtra suplimentar tensiunea de intrare, el avand acelasi efect cu un condensator de valoare C' care este montat in emitorul lui T₁.

C' = h₂₁ C

Dioda D polarizata de rezistorul R_s realizeaza tensiune de referinta care in acest caz va fi de aproximativ 0.6 V.

Algoritmul de calcul este urmatorul:

Alegem tranzistorul serie T₁:

V_I = V_CE1 + R_sc I_OM + V_ies

T alegem V_I = 15 V, iar V_ies reglabila intre V_{ies min} = 11 V si V_{ies max} = 13 V

I_OM = 200 mA

In conditiile in care tensiunea la iesirea stabilizatorului este minima si curentul pe care aceasta il furnizeaza in sarcina este maxim, puterea disipata pe T₁ va fi maxima si egala cu:

P₁ = [V_I - V_{ies min}] I_OM = (15-11)*0.2 = 0.8 W

Se alege un tranzistor capabil sa disipe aceasta putere, sa suporte o tensiune colector-emitor de 4V si un circuit colector de 0.20 A.

Am ales BD 135M care are:

V_CE = 45 V

I_C = 1 A

P_{d max} =12.5 W

Pentru acest tranzistor avem h_{21 min} 170, deci curentul de baza maxim va fi:

I_BM1 = I_OM / h₂₁ =200 mA /170 = 1.17 mA

Calculul rezistentei de baza R_B. - curentul maxim debitat prin stabilizator este asigurat in cazul in care curentul prin rezistenta de baza este cel putin egal cu IBM = 1.17 mA. Considerand cazul cel mai defavorabil se obtine:

Se alege valoare standardizata:

RB = 1.11 kW , RPM 30R, a C

Alegem tranzistorul T₂.

Se alege un tranzistor capabil sa furnizeze un curent de colector mai mare sau cel putin egal cu 1.17 mA si care sa aiba un h21 peste medie. In aceste conditii se alege tranzistorul BC 171 care are:

V_CE0 = 45 V

I_C = 100 mA

h₂₁ = 125

P_tot = 300 mW

Alegerea diodei care furnizeaza tensiunea de referinta. - se alege o dioda care sa aiba o rezistenta dinamica cat mai mica, coeficientul de temperatura cat mai mic si tensiunea stabilizata cat mai mica (sub 1V).

Din aceste consecinte s-a ales 1N4001 care este polarizata corespunzator prin rezistenta R_D. Acest rezistor se dimensioneaza astfel incat i_D >> i_C, deci curentul prin tranzistorul T₂ sa nu afecteze tensiunea de referinta V_D. In acelasi scop V_D se conecteaza la tensiunea stabilizata in emitorul tranzistorului T₁ si trebuie sa satisfaca conditiile:

Se alege RD intre aceste limite:

RD = 1.11 kW , RPM 3012, a C

Am ales curentul de polarizare pentru calculul lui R_D de 10 mA.

Calculul valorilor din divizorul rezistiv de la iesirea stabilizatorului.

Divizorul rezistiv din circuitul de esantionare R₁,P,R₂ trebuie ales sa indeplineasca conditiile

a.      tensiunea esantionata kV_ies sa nu fie afectata de curentul de baza I_B2 al tranzistorului T₂. Aceasta conditie se indeplineste daca I_R >> I_B2

b.     rezistoarele din divizoarul de iesire sunt limitate inferior prin ele trecand un curent I_R << I₀

c.      din punct de vedere dinamic tranzistorul T₃ sa fie atacat pe baza de un generator de tensiune adica sa fie indeplinita conditia:

R₁||R₂ << h₁₁+(1+h₂₁) R_dD

Curentul maxim al tranzistorului T₂ fiind:

I_BM2 = I_CM2/h₂₁ = 0,0093

I_BM2 = 10 mA

Se alege curentul minim prin divizor

I_{R min} = V_{ies min} /(R₁+R₂+P) = 100 mA

De aici rezultand ca:

R₁+R₂+P = 110 KW

Valorile individuale rezulta astfel:

R₂ + P = (R₁+R₂+P) (V_D+V_BE) / V_{ies min} = 12 KW

R₂ = 10,15 KW

P = (R₂ + P) - R₂ = 1,85 kW

R₁ = 110-12 =98KW

Deoarece avem la dispozitie doar:

P = 2,5KW 0,05W V_lim = 100V

Refacem calculele

R₂ = (R₁+R₂+P) (V_D+V_BE) / V_{ies max}

R₂ = (R₁+R₂+P) (V_D+V_BE) / V_{ies min} -P

De aici vom obtine:

R₁ = 98,8 KW RPM 3012 a_T C

R₂ = 8,76 KW RPM 3012 a_T C

P = 2,5 KW

Pentru noile valori se verifica:

I_R >> I_B2 si I_R << I₀

Calculul elementelor de reactie:

Tranzistorul T₃ trebuie sa furnizeze un curent de 1,17 mA. Se alege un tranzistor de tipul BC171 ale carui date de catalog se cunosc:

V_R4 = R₄V_x/(R₃+R₄)

V_x=R_scI_OM+V_ies

V_be=V_r4-V_ies

Din aceste relatii rezulta ca:

I_OM=(V_is/K_sc)(R₃/R₄)+(V_be3/R_sc)(1+R₃/R₄)

In acelasi timp in momentul scurt-circuitarii avem:

I_sc=(V_be3/R_cs)(1+R₃/R₄)

Din ultimele doua relatii se observa ca I_sc<I_OM si deci puterea disipata pe tranzistorul regulator in regim de scurt circuit este foarte mica.

Stiind ca I_OM=1,17 mA si aleg R_sc+3,4 W RMG 1050 a_T C

R₃/R₄=(I_OM-V_BES/R_sc)/(1/R_sc)(V_ies+V_be)=0,013

I_sc=(V_BE3/R_sc)(1+R₃/R₄)=0,162A

Se alege curentul prin R₃si R₄ astfel incit sa nu influenteze functionarea tranzistorului 3

I_BM3=8,8 mA

Alegem I_R3>>I_BM3 1mA

I₃=1mA

R₃/R₄=0,013

R₃+R₄=(V_ies+0,3)/I_R3 = 12,3 KW

R₄ = 934 W

R₃ = 12,14 W

Alegem valorile standardizate:

R₃ RPM 3012 12,1W a C

R₄ RPM 3012 931W a C

Stabilizatorul rezultat are in componenta un redresor care cuprinde:

Transformator 220V/15Vx5V I=0,25A

Punte redresoare de tip 1 PM 05

Condensator de filtraj

Calculul transformatorului

Calculam puterea absorbita in secundar.

Evaluam puterea absorbita in primar.

P_P = P_S / h

Pentru puteri mici 2.300 W vom considera h

P_P = P_S / h = 7.5/0.8 = 9.37 VA

Se calculeaza sectiunea miezului central.

Se calculeaza numarul de spire pe volt.

Daca f = 50 Hz T B_max = 1.2 T si n₀ 44 / S_Fe

n₀ = 44/4 = 11 spire/V , n_p = n₀ U_P = 11*220 =2420 si n_s = 1.1 n_o U_S

n_S2 = n_S3 = 1.1 n₀ U_S = 181.5 spire

Curentul in primar va fi:

I_P = P_P/U_P = 9.37/220 = 0.042 A

Daca se admite o densitate de curent de maxim j_max = 3A/mm, atunci diametrul conductorului de bobinaj din primar si secundar va fi:

Aria ferestrei ocupate de primar A_P[cm²] se poate gasi folosind coeficientul C daca bobinajul se face cu izolatie intre straturi A_P = n_P/C = 2420/2260 1.07 cm².

Aria in secundar va fi:

A_S = A_S1 + A_S2 = 2n_S/C = 0.16 cm²

Aria totala va fi:

A_t = A_P + A_S =.123 cm²

A_f = 3a² - aria ferestrei de bobinaj

Factorul de umplere g = A_t / A_f

Se recomanda ca forma sectiunii sa fie patrata deoarece in acest caz o spira va avea lungimea minima la o sectiune data. Parametrul a rezulta din relatia :

g = A_t/3a² T

La sfarsitul acestor calcule se verifica daca bobinajul incape in fereastra transformatorului, pentru aceasta se calculeaza aria sectiunilor transversale. Alegem o tola care are dimensiunea de baza a = 14 mm si b = 0.35 mm.

Grosimea pachetului de tole se calculeaza astfel:

b[mm] = S_Fe[cm²] / 0.02 * a = 14.29

Pentru tole cu grosimea de g = 0.35 mm vom avea N = b/g = 41 tole

Acest redresor are urmatoarele avantaje:

Tensiunea inversa pe dioda este egala cu tensiunea din secundar care la aceeasi tensiune redundanta este jumatate din valoarea corespunzatoare redresorului cu priza mediana.

Transformatorul nu are nevoie de priza mediana fapt care simplifica constructia.

Filtrul este capacitiv si factorul ce caracterizeaza filtrul este g