Stabilizatoare parametrice de tensiune continua

Stabilizatoare parametrice de tensiune continua

Stabilizatoarele de tensiune continua sunt circuite electronice capabile sa furnizeze la iesire o tensiune continua cu un nivel cvasiconstant, atunci cand tensiunea de alimentare, curentul prin sarcina si temperatura mediului ambiant au variatii precizate.

Configuratia celui mai simplu stabilizator de tensiune continua contine o dioda stabilizatoare de tensiune (DZ), un rezistor (R) si o sursa de tensiune continua (). Dioda DZ este polarizata invers de tensiunea de alimentare, cu rezistenta interna , care provine de la un redresor cu filtru sau de la alt circuit stabilizator (fig. 2.5.25a). Rezistenta serie echivalenta este notata cu (

Fig. 2.5.25. a. Schema de principiu a stabilizatorului parametric de tensiune continua; b. Circuitul echivalent de c.c. al stabilizatorului

Tensiunea de iesire are un nivel aproape constant, atat timp cat variatiile tensiunii de alimentare, curentului prin sarcina si temperaturii mediului ambiant nu deplaseaza punctul de functionare al diodei in afara regiunii de stabilizare. Stabilizarea tensiunii de iesire in acest tip de circuit se bazeaza pe proprietatea diodei DZ: la polarizare inversa, dioda isi mentine tensiunea la borne aproape constanta, atat timp cat curentul . Punctul nominal de functionare, ( ), corespunde valorilor nominale ale tensiunii de alimentare, curentului prin sarcina si temperaturii mediului ambiant ( si . Prin inlocuirea diodei cu modelul de semnal mare, cu circuit echivalent, se obtine circuitul echivalent de c.c. al stabilizatorului din fig. 2.5.25b. Din acest circuit, se obtine tensiunea de iesire, de forma

(2.5.83)

Expresia (2.5.83) arata ca tensiunea de iesire este sensibila la variatia tensiunii de alimentare, a rezistentei de sarcina si a temperaturii.

Pentru explicarea functionarii circuitului, se studiaza, pe rand, efectul variatiei unei singure marimi dintre acelea care influenteaza tensiunea de iesire a stabilizatorului. In acest scop, va fi folosita caracteristica statica a diodei, pe care va fi urmarita deplasarea punctului de functionare, provocata de variatia tensiunii de alimentare, de variatia curentului prin sarcina sau de variatia temperaturii mediului ambiant. Aplicand teoremele lui Kirchhoff circuitului din fig. 2.5.25a, se obtine

(2.5.84)

Relatia (2.5.84) reprezinta ecuatia dreptei de sarcina statica () a circuitului. In fig. 2.5.26, este trasata dreapta () in planul caracteristicii statice a diodei, pentru valorile nominale ale tensiunii de alimentare, rezistentei de sarcina si temperaturii mediului ambiant.

Fig. 2.5.26. Pozitia nominala a dreptei de sarcina

a. Se presupune, mai intai, ca rezistenta de sarcina si temperatura a mediului ambiant sunt constante si tensiunea de alimentare variaza intre doua valori extreme: si . Variatia tensiunii de alimentare face ca dreapta de sarcina sa ocupe pozitii paralele cu pozitia nominala (), pana la trecerea prin punctele si . Aceste doua pozitii extreme  

) si ( determina valorile minima si maxima ale tensiunii de alimentare, pentru care dioda mai stabilizeaza tensiunea, in conditiile precizate (fig. 2.5.27).

Fig. 2.5.27. Pozitiile extreme ale dreptei de sarcina, in cazul variatiei tensiunii de alimentare

Fig. 2.5.28. Pozitiile extreme ale dreptei de sarcina, in cazul variatiei rezistentei de sarcina

b. Se admite ca tensiunea de alimentare si temperatura a mediului ambiant sunt constante, iar rezistenta de sarcina variaza intre doua valori extreme: si . Variatia rezistentei roteste dreapta de sarcina, in jurul punctului , pana la trecerea prin punctele si . Aceste pozitii extreme () si ( determina valorile minima si maxima ale rezistentei de sarcina, pentru care dioda mai stabilizeaza tensiunea, in conditiile precizate (fig. 2.5.28).

c. Se considera, acum, ca tensiunea de alimentare si rezistenta sunt constante si variaza numai temperatura mediului ambiant, in domeniul . In fig. 2.5.29, au fost reprezentate caracteristicile statice ale DZ, pentru temperatura nominala si pentru temperaturile limita si , considerand cazul unei diode cu . Se observa ca dreapta de sarcina nu-si schimba pozitia, daca tensiunea si rezistenta nu depind de temperatura. Intersectiile dreptei de sarcina cu cele doua caracteristici statice extreme dau valorile limita ale tensiunii stabilizate: si

Fig. 2.5.29. Caracteristicile statice extreme ale diodei DZ, in cazul variatiei temperaturii mediului ambiant

Efectul variatiei temperaturii  mediului ambiant asupra tensiunii stabilizate poate fi estimat mai simplu, cu ajutorul coeficientului de temperatura al diodei, specificat de producator:

Din aceasta prezentare, ca si din relatia (2.5.83), rezulta ca tensiunea de iesire a stabilizatorului este o functie de tensiunea de alimentare, de curentul prin sarcina si de temperatura, . In ipoteza ca variabilele sunt independente, diferentiala functiei este

(2.5.85)

Trecand la variatii finite, variatia totala a tensiunii de iesire a stabilizatorului poate fi exprimata prin relatia

(2.5.86)

Ecuatia (2.5.86) contine trei indicatori de performanta ai stabilizatorului prezentat si anume:

coeficientul (factorul) de stabilizare, definit prin relatiile

sau (2.5.87)

rezistenta de iesire a stabilizatorului

sau (2.5.88)

coeficientul de temperatura al tensiunii stabilizate,

sau (2.5.89)

Coeficientul exprima gradul de transmitere a variatiilor tensiunii de alimentare, la iesirea stabilizatorului. Cu cat este mai mare, cu atat variatia tensiunii de alimentare are un efect mai mic asupra iesirii. Rezistenta exprima efectul variatiei curentului prin sarcina asupra iesirii; cu cat este mai mica, cu atat tensiunea de iesire va fi mai putin sensibila la variatia curentului prin sarcina. In fine, coeficientul de temperatura masoara influenta temperaturii asupra tensiunii de iesire.

Folosind definitiile celor trei indicatori de performanta ai unui stabilizator de tensiune, relatia (2.5.86) de estimare a variatiei totale a tensiunii de iesire poate fi pusa sub forma

(2.5.90)

Pentru calculul coeficientului de temperatura al tensiunii de iesire, se foloseste definitia coeficientului . Se obtine, astfel,

(2.5.91)

Coeficientul si rezistenta de iesire pot fi determinati din circuitul echivalent al stabilizatorului, pentru variatii mici si lente ale tensiunii de alimentare () si curentului prin sarcina (), in jurul valorilor nominale. Considerand ca regimul de variatii este un regim de semnal mic si frecvente joase, circuitul echivalent al stabilizatorului se prezinta ca in fig. 2.5.30. Pentru variatia tensiunii de iesire, s-a folosit notatia . Din acest circuit, se gasesc:

(2.5.92)

(2.5.93)

Fig. 2.5.30. Circuitul echivalent al stabilizatorului, pentru variatii mici, de frecvente joase

Coeficientul de stabilizare a tensiunii de iesire va fi cu atat mai mare si rezistenta de iesire va fi mai mica, cu cat rezistenta dinamica a diodei va fi mai mica si rezistenta va fi mai mare. Alegerea rezistorului nu se face insa dupa acest criteriu, intrucat valoarea parametrului acestei componente trebuie sa asigure limitarea curentului care circula prin dioda, la . Curentul prin dioda atinge valoarea maxima

(2.5.94)

atunci cand iesirea stabilizatorului este in gol (). Impunand ca , se obtine conditia

(2.5.95)

Pe de alta parte, atunci cand curentul prin sarcina atinge valoarea maxima, rezistenta trebuie sa asigure curentul minim de stabilizare pentru dioda. Prin urmare, trebuie satisfacuta si inegalitatea

(2.5.96)

ceea ce conduce la restrictia

(2.5.97)

Rezistenta se va alege astfel incat sa fie satisfacute conditiile (2.5.95) si (2.5.97), adica

, (2.5.98)

avand o putere

. (2.5.99)

O valoare mai buna a coeficientului de stabilizare poate fi obtinuta prin conectarea in cascada a doua sau mai multe stabilizatoare simple, ca in fig. 2.5.31a. Diodele si vor fi alese astfel ca . Din circuitul echivalent al stabilizatorului, pentru variatii mici si frecvente joase (fig. 2.5.31b), rezulta:

(2.5.100)

(2.5.101)

Coeficientul de temperatura al stabilizatorului va fi determinat de parametrii celei de-a doua diode,

(2.5.102)

Fig. 2.5.31. a. Stabilizator cu performante imbunatatite; b. Circuitul echivalent al stabilizatorului, pentru variatii mici, de frecvente joase

In cazul circuitelor stabilizatoare de tensiune inalta si cu sarcina fixa, este posibila compensarea coeficientului pozitiv de temperatura al diosei stabilizatoare, prin inserierea unui numar corespunzator de diode redresoare, polarizate direct (fig. 2.5.32). Numarul necesar de diode redresoare rezulta din conditia de anulare a coeficientului

(2.5.103)

cu . Din circuitul echivalent de c.c. al stabilizatorului, se obtine  tensiunea de iesire

(2.5.104)

cu . Ansamblul diodelor inseriate poate fi echivalat cu o dioda stabilizatoare de tensiune, cu o tensiune stabilizata echivalenta

(2.5.105)

Fig. 2.5.32. a. Compensarea coeficientului pozitiv de temperatura al tensiunii stabilizate; b. Circuitul echivalent pentru variatii mici, de frecvente joase

Din circuitul echivalent pentru variatii mici si frecvente joase (fig. 2.5.32b), se obtin urmatoarele expresii de calcul ale coeficientului de stabilizare si rezistentei de iesire:

(2.5.106)

(2.5.107)