Stabilizator de Tensiune N=8

Diţă Cristian Ionuţ Proiect DCE433C Stabilizator de tensiune

Universitatea “POLITEHNICA” BucureştiFacultatea de Electronică şi Telecomunicaţii

Proiect Dispozitive şi Circuite Electronice

Stabilizator de tensiune

Diţă Cristian Ionuţ Coordonator Proiect:433 C Florin Drăghici

1


CUPRINS

Tema proiectului (cerinţe de proiectare)...................................................................3

Schema bloc funcţională.............................................................................................3

Introducere..................................................................................................................4

Referinţa de tensiune..................................................................................................6

Amplificatorul de eroare............................................................................................6

Elementul regulator serie...........................................................................................9

Reţeaua de reacţie.......................................................................................................9

Circuitul de protecţie................................................................................................10

Schema finală a stabilizatorului de tensiune..........................................................12

Funcţionarea circuitului...........................................................................................13

Anexa 1. Componente utilizate................................................................................16

Anexa 2. Bibliografie................................................................................................17

2


Tema proiectului

Să se proiecteze un stabilizator de tensiune cu următoarele caracteristici:

Tensiunea de ieşire reglabilă în intervalul: 6V÷8V; Sarcina la ieşire: 2.66 Ω; Deriva termică: <2mV/°C; Protecţie la suprasarcină prin limitarea temperaturii tranzistoarelor regulatoare serie la

120 °C , şi a curentului maxim la 5A; Tensiune de intrare în intervalul: 12V÷16V;

Domeniul temperaturilor de funcţionare: 0 °−60 ° C Amplificarea în tensiune minimă (in bucla deschisa) a amplificatorului de eroare: 100;

Notă: Se pot folosi numai tranzistoare bipolare şi TEC-J.

Schema bloc funcţională

Se utilizează o schemă de stabilizator cu element regulator serie (ERS) comandat de un amplificator de eroare (AE) care compară tensiunea dată de referinţa de tensiune (REF) cu tensiunea preluată de la ieşire prin reţeaua de reacţie (RR). La acesta se adaugă un circuit de protecţie la suprasarcină.

IN INERS

CP

AE

REF

RR

+

-

3


Introducere

Pentru o funcţionare corectă a aparaturii electronice şi pentru asigurarea preciziei funcţionării ei sunt necesare, în multe situaţii, tensiuni de alimentare constante. Pentru aceasta se utilizează stabilizatoare de tensiune continuă conectate între sursa de tensiune continuă nestabilizată şi sarcină.

Schema bloc ce prezintă locul şi rolul stabilizatorului într-un circuit de alimentare se prezintă în figura 1.

Figura 1

Sursa S este adesea constituită dintr-un redresor cu filtru.Rezistenţa de sarcină Rs are semnificaţia consumatorului constituit din aparatul electronic

alimentat.Un stabilizator ideal de tensiune menţine tensiunea de ieşire constantă în condiţiile în

care variază tensiunea de intrare, sarcina şi temperatura. O caracteristică ideală a unui stabilizator ar arăta ca in figura 2. Practic, nu se poate realiza o caracteristică absolut orizontală. Apropierea de stabilizatorul ideal al montajelor reale depinde de circuitele folosite şi de complexitatea acestora.

Figura 2Corespunzător modului în care se obţine efectul de stabilizare deosebim:

- stabilizatoare parametrice;- stabilizatoare cu reacţie;- stabilizatoare in comutaţie.

Stabilizatoarele cu reacţie sunt cele mai utilizate, ele furnizând tensiunea de ieşire constantă în urma unui proces de reglare. La rândul lor, acestea sunt de două feluri:

- cu element regulator serie (ERS);- cu element regulator paralel (ERP).

Schemele bloc ale celor două tipuri de stabilizatoare cu reacţie se prezintă în figura 3. Se observă că in structura ambelor stabilizatoare este prezent elementul de reglare (serie sau paralel) şi circuitul de comandă (CC).

a Figura 3 b

4


Conform schemei bloc, un stabilizator cu ERS funcţionează în felul următor:Circuitul de comandă CC supraveghează valoarea tensiunii pe sarcină. Dacă aceasta este

mai mare decât valoarea prescrisă, ERS va fi comandat în sensul reducerii curentului de sarcină, ţinând cont de faptul că:

Us= IsRs (1)Dacă dimpotrivă Us este mai mică decât valoarea prescrisă, ERS va fi comandat în sensul

cresterii lui Is, determinând, conform relaţiei (1), creşterea Us.Dacă temperatura elementului regulator serie creşte prea mult sau curentul prin el

depăşeşte valoarea limită circuitul de protecţie preia curentul debitat de amplificatorul de eroare, iar elementul regulator serie se închide şi nu mai lasă să treacă curent.

5


1. Referinţa de tensiune

Referinţa de tensiune este formată dintr-o diodă Zener alimentată de la sursă de curent constant. Am ales o diodă de tip 1N5225B. Acesta are tensiunea de străpungere constantă de aproximativ 3V în condiţiile în care este alimentată cu un curent între 1 şi 20mA.

Ca sursă de curent am folosit un tranzistor TEC-J de tipul

BF245C (T1). Acesta are un curent I DSS între 12mA şi 25mA pentru tensiuni drenă-sursă de până la 30V. Tensiunea maximă care va fi aplicată pe el va fi de 13V. Deci puterea maximă pe care trebuie să fie capabil să o disipe este de 13V x 25mA = 325mW. Din catalog reiese că el poate disipa până la 350mW deci funcţionarea sa are loc în siguranţă.

Curentul maxim cu care poate fi alimentată dioda Zener este de 25mA, deci puterea maximă pe care trebuie să o disipe este de 3Vx25mA=75mW. Dioda se află în domeniul normal de funcţionare (puterea maxima pe care o poate disipa este de 500mW).

2. Amplificatorul de eroare

Pentru a obţine o amplificare în tensiune a amplificatorului de eroare de cel puţin 100 am ales o schemă cu două etaje de amplificare diferenţială în cascadă şi un etaj de conversie tensiune-curent.

Primul etaj diferenţial (T2, T3, R1, R2) este realizat cu tranzistoare bipolare. Etajul este alimentat printr-o sursă de curent cu referinţa tensiunea Vbe (T5, R6, T4).

Al doilea etaj diferenţial (T7,T8, D1, R4) este realizat cu tranzistoare bipolare pentru a avea o amplificare cât mai bună a tensiunii diferenţiale. Alimentarea acestora se face din nou de la o sursă de curent cu referinţă tensiunea Vbe (T6, R7, T4). Convertorul tensiune-curent este un tranzistor care va lucra în conexiune emitor comun (T11). El are ca sarcină elementul regulator serie.

6

T1 BF245C

Z1

1N52

25B

Vin

12 - 16 V

Vref

3V


R1

2k

R2

2k

R4

300

R5

3.3k

T4 BC107

T5 BC107

T6 BC107

R6

175

D1

1N38

79

T7 BC107T8 BC107

R7

175

T11 BC177

RL

0

T1 BC107T2 BC107

Vin

Vref Vref

Pentru primul etaj diferenţial s-au ales tranzistoare de tip BC017 (T2 şi T3). Prin acestea va trece un curent egal cu jumătate din Ic5, adică 2mA. Pentru simplificare acelaşi curent va fi impus şi prin colectorul fiecărui tranzistor din cel de-al doilea etaj. Deci vom avea nevoie de două surse de curent de 4mA.

Pentru sursele de curent folosim tranzistoare de tipul BC107 (T5 şi T6). Pentru acestea Vbe=0,7V, deci rezistenţele din emitor vor avea valorile:

R 6=R 7=VbeIc

=0,7 V4 mA

=175Ω.

Se pot folosi rezistenţe cu toleranţa 10%. Puterea pe care trebuie acestea să o disipe este de maxim 16Vx4mA=64mW. Se pot folosi rezistenţe de putere mică (125mW), peliculare de tip RMG-1025.

7


Dacă se neglijează curenţii de bază pentru tranzistoarele T5 şi T6 (posibil deoarece β>100 ) şi Ic4 este tot de ordinul 4mA, vom avea:

R 5=Vin−Vbe 6−Vbe 4Ic 4

=2 .65 kΩ÷3 . 65 kΩ

Alegem o valoare standardizată de 3.3kΩ cu toleranţa 10%. Puterea pe care trebuie să o disipe este de maxim 16Vx4mA=64mW. Se poate utiliza o rezistenţă de tip 30BJ901 (poate disipa maxim 1W).

Rezistenţele R1 şi R2 trebuie să fie egale (pentru a avea echilibru în primul etaj diferenţial). Vom lua R1=R2=1kΩ cu toleranţa 10%. Curentul prin ele este Ic2=Ic3=2mA. Puterea maximă disipată pe acestea va fi de 16Vx4mA=64mW (pentru un diferenţial total dezechilibrat). Este suficient să alegem nişte rezistenţe peliculare de mică putere (125mW) de tip RCG 1025.

Se aleg tranzistoarele T7, T8 de tipul BC107A, iar tranzistorul T11 de tip BC177.

Căderea de tensiune pe rezistenţa R4 trebuie să fie egală cu Vbe11=0,6V. Deci, pentru un curent Ic7=2mA se obţine:

R 4=Vbe 11Ic 7

=0,6V2 mA

=300Ω

Se poate lua această valoare cu toleranţa 5%. Puterea disipată de aceasta din nou nu poate depăşi 64mW deci este suficient o rezistenţă de putere mică (125mW) de tip RMG-1025.

Dioda D1 va trebui să suporte un curent de 4mA şi să aibă o tensiune egală cu Vbe11=0,6V. Se foloseşte o diodă de tipul 1N3879, care îndeplineşte aceste condiţii.

Ţinând cont că tensiunea maximă în circuit este de 16V (tranzistoarele bipolare de tip BC107 au Vcemax= 45 V) şi curentul maxim prin circuit este de 4mA, puterea maximă ce trebuie disipată de tranzistoare este de până la 64mW. Tranzistoarele bipolare pot disipa până la 300mW, deci nu există pericolul de supradisipare.

8


3. Elementul regulator serie

Elementul regulator serie este format dintr-un tranzistor de putere TIP3055 in serie cu un tranzistor de tip BD135.

In cel mai defavorabil caz, va suporta un curent de aproximativ 5A la o tensiune de 16V deci va trebui sa disipe o putere maxima Pd=80W.

Tranzistorul de putere TIP3055 are un curent maxim de colector de 15A, amplificare în

curent de minim 15, tensiune Vcemax =70V şi puterea disipată la 25 °C de 90W, iar tranzistorul BD135 are un curent maxim de colector de Icmax=2A, amplificare în curent 40 la un curent de

colector de 5mA, tensiune Vcemax =45V şi puterea disipată la 25 °C de 8W. Se obtine astfel o amplificare de minim 600.

Aceste caracteristici, la care se adaugă prezenţa circuitului de protecţie, ne asigură funţionarea elementului regulator serie fără pericolul supradisipării. Pentru mai multă siguranţă, se pot monta tranzisoarele pe un radiator.

4. Reţeaua de reacţie

Tensiunea eşantionată de aceasta este comparată cu tensiunea de referinţă dată de dioda Zener. Tensiunea de ieşire din acest circuit este dată de formula:

Vo=Vref∗R ' 8+R ' 11R ' 11

unde R’8 şi R’11 sunt R8 şi R11 ajustate cu valorile bratelor potenţiometrului P1.

Pentru a putea regla tensiunea la ieşire între 6V şi 8V cu un

potenţiometru de 5 k Ω va trebui ca:

6=3∗R 8+R 11+5 kΩR 11+5 kΩ

8=3∗R 8+5 kΩ+R11R 11

Rezultă:R8=20.5kΩR9=15kΩ

Se aleg rezistenţe de putere mică , cu toleranţa ±5% de tipul 30BJ250, de valori standard 20kΩ, respectiv 15kΩ.

9

R8

20k

R11

15k

P1 5k

Vout

Vref


5. Circuitul de protecţie

T9 BC107

T10 BC177

R13 140mR

14 1

6kR

15 3

k

T11 BC177R

16 4

.7k

T12 BC107

R17

4.7

k

T13 BC547

RL

2.66

T14 TIP3055

T15 BD135

Vin

Vref

Vdif

(amplif icata)

Vout

Senzorul de temperatură este tranzistorul T12 împreună cu elementele ajutătoare T9, R14, R15. Senzorul de supracurent este tranzistorul T13 împreună cu rezistenţa R13.

Cu ajutorul divizorului de tensiune format din R14, R15 se stabileşte pe baza lui T12 o tensiune de aproximativ 0,4V. La temperaturi normale această tensiune impune un curent de colector practic nul.

Alegem tranzistoarele T9 şi T12 de tip BC107. La temperatura de 120°C acesta are un VBE≈0.2 - 0.4V.

În consecinţă, divizorul de tensiune R14,R15 va trece tensiunea de 2,6-2,8V din emitorul lui T9 in 0,2-0,4V. Tranzistorul T12 se montează pe radiatorul tranzistoarelor T14, T15 (elementul

10


regulator serie). Odată cu creşterea temperaturii scade tensiunea de deschidere a tranzistorului astfel încât, la o anumită temperatură, acesta se deschide şi creşte curentul său de colector.

Pentru a fixa potenţialul de 0,2-0,4V se aleg rezistenţele: R14=16kΩR15=3kΩ

Acestea sunt rezistenţe de putere mică, de tip RCG-1025 cu toleranţe 5%.Alegm tranzistorul T13 de tip BC547.Rezistenţa R13 lucrează ca un convertor curent-tensiune. La un curent de maxim 5A ea

trebuie să dea o cădere de tensiune de 0,7V, cădere de tensiune ce va deschide tranzistorul T 13. De aici rezultă R13=0,14Ω. Puterea pe care trebuie să o poată disipa este de cel puţin 3W. Dacă se alege o toleranţă de 5% (curent limită între 4,75A şi 5,25A) şi o clasă de putere de 5W se poate alege o rezistenţă bobinată în corp ceramic de tip RBE4005.

Dacă creşte curentul de colector al lui T13, T10 se saturează deci tensiunea Vbe11=0V ceea ce duce la închiderea lui T14 şi T15. Se obţine astfel limitarea dorită.

Căderea de tensiune pe R16 îl deschide pe T10, iar R17 limitează curentul prin tranzistoare. Valorile de 4,7kΩ duc la curenţi maximi de 2-3mA deci nu există pericolul distrugerii prin supraîncălzire a tranzistoarelor T12 sau T13. Atât R16 cât şi R17 pot avea toleranţe 20% şi pot fi de putere mică, de tipul RCG-1025.

11


6. Schema finală a stabilizatorului de tensiune

12


7. Funcţionarea circuitului

Variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia tensiunii de intrare:T

Input voltage (V)

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00

Vol

tage

(V

)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

Performanţele sunt deosebit de bune, tensiunea de ieşire având o variaţie < 0,2mV/V.

Variaţia tensiunii de ieşire în funcţie de poziţia potenţiometrului P1:T

Potmeter setting (%)

0.00 25.00 50.00 75.00 100.00

Vol

tage

(V

)

6.00

7.00

8.00

9.00

13


Variaţia tensiunii de ieşire funcţie de variaţia temperaturii:

T

Temperature (C)

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00

Vo

ltag

e (

V)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

Se observă blocarea funcţionării la o temperatură de 120°C. Analiza s-a făcut în situaţia cea mai dezavantajoasă, pentru o tensiune de intrare maximă de 16V.

Observarea derivei termice la temperaturi normale de funcţionare:T

Temperature (C)

0.00 20.00 40.00 60.00

Vol

tage

(V

)

6.0000

6.2500

6.5000

6.7500

7.0000

Deriva termică este de 1,66mV/°C (mai mică de 2mV/°C). Deci stabilizatorul are o comportare foarte bună nu numai la variaţia tensiunii de intrare, ci şi la variaţia temperaturii de lucru.

14


Simularea variaţiei rezistenţei de sarcină:

La scăderea rezistenţei de sarcină curentul este limitat sub 5mA. Deci nu există pericolul ca prin punerea în scurtcircuit a elementului regulator serie să se supraîncălzească şi să se distrugă.

15

T

Input resistance (ohms)

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

Cu

rre

nt

(A)

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00


Anexa 1. Componente utilizate

Dispozitive active

Tranzistoare bipolareNumăr Tip Putere maximă

T1 BF245C 350mWT2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9,T12 BC107 300mW

T10,T11 BC177 300mWT13 BC547 500mWT14 TIP3055 90WT15 BD135 8W

Tranzistoare TEC-JNumăr Tip Putere maximă

T1 BF245C 350mWT2,T3 BF245B 200mW

DiodeD1 D1N3492D2 1N5225

Dispozitive pasive

RezistenţeNumăr Valoare Toleranţă Putere TipR1,R2 2k 10% 125mW RCG-1025

R4 300 5% 125mW RMG-1025R5 3.3k 10% 1W 30BJ901

R6,R7 175 10% 125mW RMG-1025R8 21k 5% 125mW RCG-1025R11 15k 5% 125mW RCG-1025R13 0,14 5% 5W RBE 4005R14 16k 20% 125mW RCG-1025R15 3k 5% 125mW RCG-1025

R16,R17 4,7k 20% 125mW RCG-1025Se foloseşte şi un potenţiometru P1 de 5kΩ, dacă se poate liniar şi multitură pentru un

control fin şi liniar al tensiunii de ieşire.Foile de catalog ale produselor; http://www.datasheetcatalog.com

http://dce.pub.ro/dce

16

http://dce.pub.ro/dce

http://www.datasheetcatalog.com/


Anexa 2. Bibliografie

D. Dascălu, L. Turic, I. Hoffman – „Circuite Electronice” – Ed. Didactică şi Pedagogică – 1981

D.D. Sandu - „Dispozitive şi Circuite Electronice” – Ed. Didactică şi Pedagogică – 1975

Gh. Brezeanu, F. Drăghici, F. Mitu, Gh. Dilimăţ – „Dispozitive Electronice”, „Circuite Electronice Fundamentale”

Notiţe de curs DE CEF – prof. Marcel Profirescu

Notiţe de curs CEF – prof. Dragoş Dobrescu

17

Documents

Stabilizator de Tensiune N=8