Sari la conținut


Stabilizator de tensiune - exemplu de proiectare



Publicat de prog , 20 iunie 2016 · 574 Vizualizari
* * * - - 2 voturi
Stabilizator de tensiune  - exemplu de proiectare
Presupunem ca se doreste obtinerea unui stabilizator cu urmatoarele performante
  • Tensiunea de iesire reglabila in intervalul: 15÷20 V;
  • Sarcina la iesire 3Ω;
  • Deriva termica <2mV/0C
  • Protectie la suprasarcina prin limitarea temperaturii tranzistoarelor regulatoare serie la
  • 1200C.
  • Tensiune de intrare in intervalul 25-30V
O posibila implementare a unui stabilizator de acest tip este reprezentata in fig 1:

Imagine atașată
Circuitul este compus din urmatoarele blocuri:
  • Amplificator de eroare: Q1, Q2, Q4, D, R2 si generatoarele de curent Q6, R1; Q3, R7; Q5.
  • Referinta de tensiune: Dz.
  • Retea reactie negativa R10, R11, R12.
  • Regulator serie: Q10, Q11, Q12, Q13, , R13, R14 , R8, R9 .
  • Circuit de pornire R13, D2-D6;
  • Protectie termica: Q7, Q18, Q9, R13, R4 , R5, R3.
1. Referinta de tensiune.

Va fi in esenta o dioda Zener de 5.6V. Pentru acest tip de diode (daca sunt polarizate la curent constant) se constata un drift termic foarte mic in intervalul 0-600C. Dioda se va polariza in curent constant prin intermediul Q6, R1. Pentru a minimiza efectul rezistentei finite de iesire a generatorului de curent astfel obtinut, acesta va fi alimenta dintr-o tensiune prestabilizata (emitorul lui Q11). Incarcarea in curent a referintei este extrem de redusa, practic numai curentul de baza al Q7 .Pentru acest circuit se va verifica:
a. incarcarea in curent (trebuie sa fie << decat curentul prin Q6);
b. lipsa interferentelor cu circuitul de pornire in regim normal de functionare.
Daca este posibil se va dimensiona R1 in punctul de drift nul cu temperatura al TEC-J pentru a asigura o independenta sporita fata de acest parametru.

2. Amplificatorul de eroare

Tranzistoarele din etajul diferential de intrare Q1,2 vor functiona in mod simetric la un curent mai mic decat IDSS / 2 (Q1, Q2, Q3 se aleg de tip BF256 cu parametri de catalog IDSS=6…10mA, VT = -1…-3V, VDSmax = 30V) pentru a putea permite maximum excursiei asimetrice in curent intre tranzistoare. Suma curentilor de drena ai Q1,2 este:

ID1+ID2=ID3

Curentul ID3 este dat de ecuatiiile:

Imagine atașată

Presupunind pentru parametri IDSS, VT valorile tipice: IDSS = 8mA respectiv VT = -2V rezulta ID3 = 2mA. In cazurile cele mai defavorabile avem:
(IDSS=6mA, VT=-3V) ⇒ ID3 ≈ 1.6mA
(IDSS=10mA, VT=-1V) ⇒ ID3 ≈ 2.8mA
deci intotdeuna tranzistoarele de intrare Q1,2 vor functiona la un curent static de drena mai mic decat IDSS /2.
Curentul prin Q1 este dat de relatia:

Imagine atașată

Alegem Q4 de tip BC 177 (pnp de mica putere) la care, conform curbelor de catalog, VBE = 0.5…0.7V pentu IC = 10mA (la t = 25°C). Tinanad sema de toleranta lui R2 (5%) putem determina: ID1min=0.8mA; ID1max=1.2mA
Intotdeauna avem un curent diferit de 0 prin Q2. Curentul prin Q4 ≈ IDSS5 (BF256, IDSS5= 6…10mA)
Compensarea functionarii nesimetrice a Q1, Q2 se va face prin R1. Alegem R1=1KΩ (20%) deoarece in cel mai defavorabil caz (R1min, ID3min) se poate compensa o tensiune de 1.12V (mai mare decat diferenta (VGS1- VGS2)max=0.8V. Pentru acest circuit pe chema de regim dinamic avand drept sarcina regulatorul serie cuplat la sarcina se vor determina: a (este necesar ca a>10.000), RI, Ro

Obs. Pentru amplificatorul de eroare (cu reactie negativa) se vor calcula marimile de semnal mic T si Ro pentru care vor fi satisfacute inegalitatile: T > 1000, R0 < 1mohm.

3. Circuitul de protectie termica

Senzorul de temperatura este Q8. Acest tranzistor va fi plast pe radiatorul tranzistoarelor Q12, Q13 cat mai aproape de acestea pentru a realiza un bun contact termic. Tensiunea VBE la care acest tranzistor poate sa conduca un curent semnificativ scade cu 2mV/0C. In consecinta se va ajusta valoarea divizorului de tensiune R4, R5 astfel incat tensiunea din emitorul lui Q7 sa deschida pe Q8 la circa 1200C. Tensiunea in emitorul lui Q7 are la 27oC valoarea:

VE7 = Vz - VBE7

Alegem tranzistorul Q7 de tip BC107.
Cea mai mare tensiune VE4 apare la temperaturi ridicate (VBemin; tmax= 600C) si este de circa 5,2V. Cea mai mica tensiune apare la temperaturi scazute (VBemax; tmin= 00C) si este de circa 4.8V.

Alegem tranzistorul Q8 de tip BC 107. La 1200C acest dispozitiv are un VBEon≈0.2..0.4V. In consecinta divizorului de tensiune R4, R5 va trece tensiunea de 5,4..4,8V in 0,2..0,4V. Acest lucru se poate realiza alegand R4= 10K reglabil in functie de tolerantele mentionate si R5=1K. Atunci cand Q8 intra in conductie, Q9 se va satura prin intermdiul R13, R3. R13 va proteja Q8 impotriva unui maxim de curent iar R3 va rejecta curentul rezidual al Q8 fata de baza lui Q9.

Alegem R13, R3=1K, (ICMAXQ8≈30mA<ICMAX).

Alegem Q9 de tip BC177 cu VCesat<0.1..0.3V la Ic=50mA. Deci acest tranzistor cand va fi comandat va bloca pe Q4 care la randul sau nu va mai alimenta in curent baza tranzistorului echivalent regulator serie, iar acesta se va bloca.

4. Circuitul de pornire

La pornire sau dupa inactivarea regulatorului serie, functionarea circuitului nu se autoregenereaza in sensul ca dioda DZ nu va fi polarizata. Apare un punct stabil de functionare cu toate componentele active blocate. Acest punct nedorit de functionare este eliminat prin fortarea in conductie la pornire a Q1 prin D2-D6 (alimentate prin R13 direct din circuitul principal). Q1 in conductie insemna curent prin Q4 si apoi prin regulatorul serie, deci si prin Q6. Tensiunea la bornele Dz va creste catre valoarea nominala, circuitul intrand in regim normal de functionare. Dioda D2 se va bloca si va izola circuitul de pornire de circuitul principal. Pentru acest circuit se vor verifica in functie de tolerantele diodelor alese daca:
  • Potentialul in grila lui Q1 la pornire creste suficientastfel incat Q4 va putea genera un curent mai mare decat IDSS5;
  • Dupa pornire, D2 se blocheaza sigura.
5. Regulatorul serie
Acesta, in cel mai defavorabil caz, va suporta un curent de aproximativ 7A la o tensiune de 10V (PD = 70W).
Alegem Q12, Q13 de tip 2N3055 cu datele de catalog (PDmax=117W, β=15…100, curent maxim de colector in puls non-repetitiv 80A, ICMAX = 20A) . Pentru echilibrarea curentilor se folosesc rezistoare de egalizare (au si rol de protectie). Rezistentele de protectie disipa in cel mai defavorabil caz circa 3.2W. Pentru siguranta se aleg rezistori de 6W. In caz de scurtcircuit curentul maxim prin circuit se va limita la circa 100A (cand tranzistorele finale se vor satura, Pdtotal=100W) inainte de arderea sigurantei de protectie. Acest circuit va fi in mod obligatoriu prevazut cu o siguranta rapida de circa 10A.
Curentii prin Q12, Q13 sunt in cel mai defavorabil regim (R9=0.68Ω+20%; R8=0.68Ω-20%) aproximativ 2.8A (Pd=28W) repectiv 4.2A (Pd=42W) deci tranzistoarele nu se vor distruge.
Curentul maxim de baza pentru perechea Q12, Q13 este de, considerand un β pesimist de circa 10, 0.7A.

Alegem Q11 de tipul BD435. Pentru a forta un curent mare prin acest tranzistor si cand sarcina circuitului este mare se conecteaza in paralel pe jonctiunea BE a lui Q12 o rezistenta care sa aigure un curent de circa 0.1-0.5A. Se va folosi R7=1Ω. Pentru a asigura un β foarte mare regulatorului serie se mai introduce un tranzistor de mica putere: Q10 (BC107). Aceste doua

tranzistoare vor fi verificate din urmatoarele puncte de vedere (in cele mai defavorabile cazuri):
- curent maxim,
- putere maxima disipata,
- tensiune maxima.
β echivalent al regulatorului serie va fi mai mare de 10.000.

6. Reteaua de reactie negativa.

Tensiunea de iesire din acest circuit este data de formula: V0=Vz(R10’+ R11’)/ R11’
Unde R10’, R11’ sunt R10, R11 ajustate cu valorile bratelor potentiometrului R12. Se vor alege R10, R11, R12 astfel incat sa se acopere plaja de reglaj a tensiunii Vo. (Obs. uneori R10 se poate lua 0).

Nota: un calcul gasit pe net acum vreo 10 ani in urma - dce.pub.ro



Postare foarte interesanta si utila pentru proiectantii de circuite. Proiectul propus se

 poate dezvolta cu calcule ingineresti mai ample, cu rezolvarea si a altor cerinte ale temei

 dar si cu o simulare si actualizare a componentelor, deoarece acum unele nu se mai gasesc, deoarece nu se mai fabrica.

 

Remarc si unele probleme posibile ale circuitului propus pentru studiu:

 - Senzorul de temperatura este imprecis;

 - Divizorul R4-R5 nu este corect pentru protectia de temperatura;

 - Care este rostul diodei D1;

 - De ce este montat trimerul R6 si ce efect negativ ar avea lipsa lui;

 - Protectia se bazeaza pe o siguranta ultrarapida de 10A;

 - Amplificarea in bucla deschisa este prea mica;

 - Schema nu are o compensare cu frecventa impotriva autooscilatiilor, desi foloseste tranzistori FET de 1GHz.

 

Felicit pe @prog pentru blog !

 

@gsabac

emil.matei.ro Cel mai cuprinzator director romanesc