Regulatorul liniar de tensiune => Proiect didactic

[Marian]

Salutari tuturor.

Initial facusem din acest proiect al meu tema unor articole pe blog dar am observat ca acolo expunerea este destul de redusa, iar scopul meu este sa fac accesibil accesul la unele generalitati cator mai multi, motiv pentru care am ales sa deschid topic aici la alimentatoare pe care apoi il voi adauga la indexul tematic pentru accesare usoara. Tema proiectului este descrierea detaliata a unor notiuni elementare legate de acest subiect, in stilul propriu si ma voi axa in postarea asta pe regulatoarele paralel urmand ca intr-o postare urmatoare sa revin si asupra celor serie. Am ales sa fac 2 articole din acest subiect ( regulatorul liniar de tensiune ) deoarece desi pare ceva banal, totusi sunt destul de multe de zis despre fiecare ( o sa va lamuriti si singuri citind ) si articolul ar fi pur si simplu prea lung, si asa oricum numai scurt nu e, dar sunt lucruri absolut necesare. Nu va asteptati la cine stie ce teorie avansata, sau scheme care mai de care mai sofisticate sau performante, exista deja topic cu scheme la alimentatoare, ar fi redundant sa fac acelasi lucru si aici, in schimb acest articol se vrea a fi unul mai mult didactic si destinat in special celor mai putin experimentati, cu scopul de a ajuta in intelegerea principiilor implicate si a unor solutii constructive de baza de la care se poate pleca ulterior in proiectarea propriei scheme de regulator. Imi cer scuze anticipat daca ce scriu aici par banalitati, dar sunt lucruri de principiu a caror stapanire ajuta mult pe cei la inceput de drum, imi cer scuze deasemeni si daca va plictisesc cu articolul meu mai lung decat de obicei, tocmai tinta acestui articol fac necesare cat mai multe detalii, asadar lectura placuta si astept comentariile voastre.


Ce este regulatorul de tensiune?
Prin notiunea respectiva intelegem circuitul care ne faciliteaza noua modificarea unei anumite tensiuni de la o valoare data la una dorita, in cazul regulatoarelor liniare dezbatute in acest articol, evident se vorbeste intotdeauna de obtinerea unei tensiuni mai mici din una mai mare.

Cel mai elementar regulator de tensiune ar trebui sa fie zic eu Divizorul Rezistiv, nu cred ca exista montaj electronic care sa nu contina o forma a sa ( ca fapt divers potentiometrul este nimic mai mult decat un divizor rezistiv ajustabil ), schema de circuit este:


I se spune Divizor datorita efectului de divizare pe care il are asupra tensiunii aplicate, divizarea se face cu un raport pe care il numesc eu "K" :


Asadar tensiunea oferita la iesire de divizor este:


Sa exemplificam putin, se da schema:

Si se cere sa se afle valoarea Vout, din formulele de mai sus stim deja ce avem de facut:


Si "K" este:


Prin urmare Vout este:


Dar putem afla Vout si altfel, iata:


I_Div este curentul prin divizor, si acesta este:


Si in exemplul de fata el este:


Prin urmare Vout este:


Sa modificam putin datele problemei, se da schema:

Si se cere sa se afle Vin de data aceasta, adica ce valoare a Vin este necesara pentru ca sa obtinem acel 1V la iesire in conditiile valorilor date ale R1 si R2. Nu e deloc complicat, iata:


Stim deja cum aflam pe k, acesta este in cazul de fata tot 11, deci Vin este:


Si o ultima situatie, se da schema:


Si se cere sa se afle ce valoare ar trebui sa aiba R1 pentru indeplinirea conditiilor date in schema. De data asta raportul divizorului "K" nu ne mai ajuta pentru ca nestiind valoarea R1 nu-l mai putem afla nici pe K, insa aici ne ajuta cealalta metoda de aflare a Vout descrisa mai sus, cea cu I_Div, nici pe el nu-l stim, dar stim ca R1 si R2 fiind inseriate, curentul prin ele nu poate fi decat acelasi ( de fapt nu mereu este asa, o sa explic mai incolo si de ce ), si curentul prin R2 este:


Prin urmare, si prin R1 circula acelasi curent, si deci valoarea sa este:


Si putem verifica corectitudinea rezultatului destul de usor:



Limitari
Spuneam mai sus ca desi in principiu devreme ce R1 si R2 sunt inseriate, nu intotdeauna curentul prin ele este acelasi. Toate aceste ecuatii si exemplificari care par banale sunt menite atat spre a asista in intelegerea elementului descris dar si spre a evidentia limitarile sale. In exemplele de mai sus divizorul nu a avut sarcina pe Vout, pe cale de consecinta sintagma "curentul prin R1 este identic cu cel prin R2" este corecta si ne-a permis rezolvarea exemplelor destul de usor, si teoretic obtinerea unei valori de Vout dorite este foarte usoara, daca insa se pune o sarcina pe Vout atunci situatia curentilor prin divizor se schimba:

Prin R1 si prin R2 circula in continuare curentul divizorului I_div ca fiind cel impus de valoarea R2, insa prin R1 circula si curentul de sarcina notat cu I_s asadar curentul prin R1 este in fapt suma I_div+I_s, iata ce se intampla daca adaugam o sarcina de 500uA notata in schema de mai jos cu RL:


Teoretic am adaugat o rezistenta de 10k pe o tensiune Vout de 5V deci o sarcina de 500uA, practic nu este asa, si iata de ce. RL nu doar ca a modificat curentul prin R1 dar a modificat si rezistenta cumulata de pe Vout ( in fapt este cele 2 chestiuni pot fi considerate unul si acelasi lucru ), rezistenta de jos de pe Vout este acum ( din pacate limitarea este la 20 de imagini per postare, de aici vor fi doar link-uri, dati click pe ele:


Asadar Vout este acum:


Ramanem la acelasi circuit din ultima schema dar modificam Vin de la 20V la 25V, Vout va fi:


Din cele de mai sus deducem concluzia ca orice variatie a curentului de sarcina sau a tensiunii Vin, creeaza inevitabil si o variatie a Vout, asta face din elementul descris unul cu performante foarte slabe la capitolul stabilizare tensiune, ceva trebuie sa se faca pentru a ameliora acest aspect, si chiar se poate asa cum veti observa mai jos doar prin inlocuirea R2 din schema.


Dioda Zener
Dioda zener este un element de circuit care permite obtinerea unei tensiuni stabilizate mai mici dintr-o tensiune nestabilizata mai mare. Simplist spus ea shunteaza catre masa orice trece de tensiunea ei, tensiune denumita "Breakdown voltage", asadar este un stabilizator de tensiune paralel, si stim ca stabilizatoarele paralele nu pot shunta un curent nelimitat, avem asadar nevoie de limitarea curentului maxim pe care dioda zener trebuie sa-l shunteze catre masa, de regula asta se face cu ajutorul unei rezistente "balast", o rezistenta care preia diferenta dintre tensiunea zenerului si alimentare si limiteaza pe aceasta diferenta un curent maxim ales, schema de principiu:


Asa cum spuneam mai sus, simpla inlocuire a R2 ne faciliteaza eliminarea tuturor neajunsurilor unui simplu divizor rezistiv, am inlocuit R2 cu o dioda zener si obtinem o valoare a Vout egala cu tensiunea diodei la un curent maxim ales de noi,pe care curent il alegem in functie de puterea diodei folosite, si stiind ca:

Rezulta ca:


Si prin urmare:


Este insa sper eu de la sine inteles ca nu alegem Imax cel permis de puterea maxim disipabila a diodei, acestea sunt cifrele maxim admise peste care daca se trece nu se poate garanta buna functionare, intotdeauna este bine sa ne mentinem cat mai departe de valorile maxime admise, as zice eu undeva pe la jumatate din curentul maxim admis este in regula, spre exemplu o dioda zener de 12v si 1,3W ar permite teoretic un curent maxim de 100mA ( in fapt 108 ), ne limitam undeva pe la 50mA cu si anume curentul maxim posibil prin dioda, si ar trebui sa fie in regula, si totodata suficient zic eu. Se da un exemplu:


Si se cere sa se afle valoarea necesara pentru R1 tinand cont de faptul ca se doreste limitarea curentului la 50mA. Stiind deja ecuatiile de mai sus, este simplu sa calculam:


Puterea disipata de zenner este:


Puterea disipata de R1 este:


Uneori nu gasim din calcule o valoare standard pentru rezistenta, alegem atunci valoarea standard cea mai apropiata, la capitolul puyere disipata pe rezistenta ne asiguram ca puterea rezistentei folosite este mai mare decat rezultatul obtinut in calcul, preferabil cel putin dublu, adica pentru cei 0,9W alegem o rezistenta de 2W.

Limitari
Cazul de mai sus este cel ideeal, o tensiune de intrare fixa, un curent fix facilitat de lipsa de sarcina pe iesire, deci si tensiunea de la iesire este una fixa, in realitate aceste conditii nu se regasesc toate deodata decat poate foarte rar si atunci ne lovim de niste limitari si prin urmare obtinem niste neajunsuri pe care le acceptam, in primul rand curentul maxim posibil care nu este unul foarte mare, astfel incat foarte multe nu se pot face cu acest circuit, apoi prezenta unei sarcini pe iesire care complica putin lucrurile, iata diagrama curentilor prin circuit:


Iz este curentul maxim ales prin zenner, iar Is este curentul de sarcina, de acest lucru trebuie tinut cont in stabilirea valorii R1 pentru ca prin ea circula atat curentul de sarcina cat si cel din zener, in timp ce prin dioda circuita doar Iz, atunci cand curentul de sarcina este unul constant putem alege un curent limitat de R1 mai mare decat cel maxim suportat de catre D1, deoarece o buna parte din acesta se va duce catre sarcina, daca de exemplu avem o sarcina pe Vout care consuma constant 50mA, acestia se vor trage din curentul maxim limitat de catre R1, si daca acesta este ales la sa zicem 100mA, atunci sarcina va lua 50mA si prin dioda vor merge restul de 50mA. Asta este iarasi un caz oarecum ideeal care nu se regaseste prea des in realitate, in practica Is poate varia si atunci alegerea R1 devine un pic mai pretentioasa, trebuie sa ne asiguram ca indiferent de conditii, curentul maxim prin dioda va fi unul ales de noi, astfel incat daca sarcina are o valoare a curentului tras, minim estimata, de aceasta se va tine cont in stabilirea curentului maxim limitat de catre rezistenta, deoarece cu cat curentul tras de sarcina scade, cu atat mai mult curent trece prin dioda, uneori e posibil ca sarcina sa dispara complet de pe Vout, in functie de aplicatie Vout poate fi in mod regulat decuplat de la sarcina, sau aceasta poate ajunge la un consum asazis "in gol" suficient de mic incat Vout sa fie considerat practic fara sarcina, atunci limitam curentul prin R1 la exact maximul dorit prin D1, fara sarcina pe Vout tot curentul limitat de R1 trece prin D1, limitand deci curentul prin R1 dupa cum am zis, ne asiguram ca nu depasim indiferent de conditii, curentul maxim acceptat prin dioda. In alta ordine de idei, cu cat curentul de sarcina creste mai mult, cu atat curentul prin D1 scade, trebuie sa ne asiguram ca acesta nu scade prea mult deoarece atunci nu mai avemn stabilizare corecta, diodele zener au un grafic denumit VI curve:


El ne ilustreaza clar limitarile acestui element, asa cum se poate observa este necesar un curent minim prin dioda pentru ca aceasta sa stabilizeze tensiunea de la iesire, si deci si de acest lucru trebuie tinut cont la stabilirea valorii R1, trebuie sa cunoastem sau sa estimam curentul maxim tras de catre sarcina si la el sa adaugam un curent minim necesar pentru D1, de regula este vorba despre cativa mA, detalii mai amanuntite se pot gasi in pdf-ul diodei respective.

Graficul de mai sus ne mai indica un lucru, si anume ca tensiunea exact stabilizata este influentata de catre curentul prin dioda, diodele zener au un parametru denumit Dinamic resistance, care poate fi gasit in pdf, este exprimat in Ohm, si simplist spus poate fi privit ca si R2 din schema divizorului de mai sus, avand o anumita valoare la un curent dat, aceasta caracteristica decide valoarea exacta a tensiunii stabilizate in functie de curentul prin dioda. In practica Vin poate varia, ( de obicei chiar se intampla asta ), si variatia Vin provoaca o variatie a curentului prin dioda si implicit o variatie a tensiunii stabilizate, relatia este:


Variatia curentului este:


Diodele zener mai au inca o caracteristica ce afecteaza performanta lor, deriva termica, care influenteaza tensiunea exacta de iesire in functie de temperatura capsulei, il gasiti in pdf-uri in tabelul unde se afla si Rdyn, unele pdf-uri exprima deriva in procentaj per grad celsius, altele in mV per grad celsius, dar este in esenta acelasi lucru. Din punctul de vedere al derivei termice valoarea ideeala a tensiunii zener este pe la 4,7V, acolo deriva termica este cea mai mica, deci influenta temperaturii asupra tensiunii de iesire este minima, mai jos de 4,7v deriva este negativa, mai sus deriva este pozitiva, acolo unde aplicatia necesar a fi alimentata cere stabilitate termica, trebuie tinut cont si de acest parametru.


Exercitiu:
Se cere proiectarea unui stabiliazator zener precum cele din schemele de mai sus tinandu-se cont de urmatorii parametrii impusi:

-Vin minim 30V
-Vin maxim 35V
-Vout 15V
-Is max 20mA
-Is min 2mA
-Idz min 5mA
-Idz maxim 50mA


Schema de principiu este:


Si se cere stabilirea valorilor celor 2 componente, respectiv R1 si D1.

-D1 stim chiar de la parametrii impusi ca trebuie sa fie o dioda zener de 15V, mai trebuie sa aflam si ce putere trebuie sa aiba, si asta este simplu:


Alegem o dioda de 1,3W si 15V.

-La R1 avem nevoie sa stabilim si valoarea in Ohm si puterea, incepem cu primul parametru, asa cum spuneam mai sus trebuie sa tinem cont de valorime minime si maxime ale curentului prin dioda si respectiv prin sarcina, si sa asiguram atat resursele necesare cat si limita maxim admisa pe zener, stim ca sarcina are nevoie de un curent maxim de 0,03A, la acesta adaugam curentul minim necesar diodei, adica cei 0,005A si obtinem un curent maxim limitat de R1 de 35mA, verificam faptul ca la curent de sarcina minim nu depasim maximul admis prin dioda, si la sarcina minima de 2mA, prin dioda se duc 33mA, adica sub maximul de 50mA admis, acei 33mA trebuie asigurati la Vin minim, asadar valoarea R1 este:


Evident alegem R1 470 Ohm dar ne asiguram ca la Vin maxim nu depasim conditia de 50mA curent maxim prin dioda, si acolo avem un curent prin R1 de:


Adica, inca suntem sub limita impusa de 50mA, asadar valoarea de 470 Ohm este in regula, mai trebuie sa alegem puterea R1, si aici avem asa:


Pentru siguranta mergem pe o rezistenta de 2W.

Vorbeam mai sus de acele caracteristici care influenteaza stabilizarea, respectiv rezistenta dinamica si deriva termica, sa verificam care ar fi influentele respective, si incepem cu rezistenta dinamica, alegem ca D1 pe BZX55C15, si din pdf-ul ei aflam ca aceasta este de 30 Ohm la un curent de test de 5mA, stim deja variatia curentului prin dioda din ecuatiile de mai sus, adica avem minimul impus de parametrii de la descriere de 5mA, si un maxim al curentului posibil prin rezistenta de 42mA, curentul maxim prin dioda stim ca este valabil la sarcina minima, si aceasta este de 2mA, deci curentul maxim prin dioda este de 40mA, adica o variatie de 35mA, si deci variatia tensiunii stabilizate este:


Adica o variatie foarte mare, in practica nu este tocmai asa deoarece cu cat curentul prin dioda creste cu atat rezistenta dinamica scade, si deci pentru o estimare mai exacta trebuie gasit acel grafic care ne indica variatia rezistentei dinamice in functie de curent. Chiar daca in realitate variatia este mai mica, totusi ea exista, si de ea trebuie sa se tina cont daca aplicatia alimentata este una foarte sensibila.

Tot din pdf-ul BZX55C15 aflam ca deriva termica este in cazul ei de +0,07%/*C, din asta putem afla cum va fi influentata tensiunea de la iesire de catre temperatura capsulei, aceasta deriva are ca referinta temperatura initiala de 25*C, estimam o variatie maxima a temperaturii fata de acest prag si in functie de ea putem determina si influenta asupra Vout, daca spre exemplu din anumite motive capsula atinge 40*C atunci variatia este de 40-25 adica 15*C, si deci influenta este de 0,07%*15, adica 1,05% din valoarea nominala a diodei, si deci pentru cei 15V o variatie de +15*C cauzeaza o variatiei a Vout de 15*0,01, adica 150mV.

Asadar toate acestea ne indica faptul ca stabilizatorul zener desi mult mai bun decat simplul divizor, totusi nu este unul ideeal, precizia sa nu este foarte buna, are probleme si cu variatiile sarcinii, si cu variatiile alimentarii si cu variatiile temperaturii, si deci ceva trebuie sa poata fi facut in acest sens, si ceva chiar se poate face pentru a elimina practic toate aceste neajunsuri doar schimband D1 cu un alt element.


TL431
Simplist vorbind TL431 poate fi considerat un zener programabil termocompensat, adica o dioda zener a carei tensiune o putem seta noi, si la care nu ne mai facem griji de variatiile de temperatura. La fel ca si dioda zener este un stabilizator paralel, shunteaza catre masa tot ce trece de un anumit prag, diferentele consta insa la modul in care o fac fiecare, dioda zenner fiind in esenta o jonctiune PN dopata ceva mai specific, o dioda care are tensiunea de polarizare inversa mai mica ( este vorba tocmai despre Breakdown voltage=>Tensiunea zener ), cand acest prag este depasit permite curentului sa circule in sens invers intr-un mod controlat. In schimb TL431 este destul de diferit ca si structura, este in fapt un circuit integrat, iata simbolul de schema si diagrama bloc:


La modul elementar vorbind, el este constituit dintr-un comparator comandat la inversoare de o referinta fixa si termocompensata, iesirea fiind un emitor comun, in structura "colector deschis" ( open colector ), schema exacta interna se poate gasi in pdf si este destul de complexa, dar nu ne intereseaza, e suficient schema bloc pentru a-i intelege modul de functionare, comparatorul va face tot ce-i sta in putinta spre a mentine si neinversoarea la 2,5V, la fel ca inversoarea, pentru asta el va comanda iesirea astfel incat acest lucru sa se intample intotdeauna, se bazeaza asadar pe principiul unui amplificator de eroare, si asta il face foarte precis si imun la variatiile sarcinii si/sau alimentarii. TL431 suporta un curent de pana la 100mA, o tensiune maxima catod-anod de 37V, si o putere maxim disipata de 0,6W, Schema de principiu este:


Diferenta fata de stabilizatorul zener simplu este prezenta VR1 ( care este evident TL431 ), si a 2 rezistente in plus. Am spus ca functioneaza pe principiul amplificatorului de eroare, referinta se regaseste intre R si A si este de 2,5V, asadar tot atata pica si pe R2 ( de retinut faptul ca si anume curentul de la referinta este recomandat intre 1 si 10mA ), iar R1 si R2 sunt in sine un divizor rezistiv care fixeaza deci tensiunea de la iesire, si deci Vout este:


R3 este tot rezistenta "balast", are acelasi scop ca si la stabilizatorul zener, adica preia diferenta intre alimentare si iesirea dorita si limiteaza curentul la valoarea dorita, asadar valoarea sa este:


Se ia in calcul Vin minim deoarece la valoarea minima a alimentarii R3 trebuie sa asigure resursele necesare pentru Vout, dar I ( care este Iout ) trebuie ales in functie de Vin maxim astfel incat sa nu depasim curentul maxim prin regulator la aceasta alimentare maxima, tinem cont la alegerea I si de puterea disipata de regulator stiind ca aceasta este:


Am pus simplu "I" nu "Iout" deoarece la calculul puterii disipate de regulator se ia in vedere curentul care circula prin acesta nu si curentul de sarcina, din valoarea maxima a curentului limitat de catre rezistenta se sustrage cea minima a curentului de sarcina, si rezulta curentul maxim "I" care circula prin regulator si cu ajutorul sau aflam puterea pe care regulatorul trebuie sa o disipe.

La calculul R2 ne alegem un curent de la referinta ( in gama 1-10mA asa cum am specificat mai sus ), si stiind deja care este tensiunea de referinta, este simplu ce urmeaza; la R1 aplicam aceeasi metoda ca la divizorul rezistiv->rezistenta de sus, adica pe R1 pica diferenta dintre Vout dorit si referinta de 2,5V si prin R1 circula curentul din divizor care este totodata unul si acelasi cu curentul prin R2, adica curentul de la referinta, ce urmeaza este aplicarea legii lui Ohm; La R3 tinem cont de curentul maxim de sarcina necesar, la care adaugam un curent minim dorit prin regulator, si calculam R3 in functie de Vin minim pentru ca ne dorim ca la minimul alimentarii sa avem totusi resursele necesare la Vout, dar totodata verificam la fel ca si la zener ca la Vin maxim si curent de sarcina minim, nu depasim limitele maxim admise de regulator.


Limitari
Limitarea principala este legata tocmai de curentul de sarcina maxim posibil, si mai exista cea legata de tensiunea catod-anod maxim acceptata, care este una si aceeasi cu Vout in schema de mai sus si care nu poate fi mai mare de 37V, insa avantajele fata de dioda zener simpla sunt greu de ignorat, tocmai datorita principiului de functionare stabilizarea tensiunii de iesire este foarte buna si imuna la variatii ale alimentarii, ale curentului de sarcina, si datorita referintei termocompensate, iesirea este imuna si la variatiile temperaturii, asadar este un circuit recomandat atunci cand aplicatia de alimentat este una sensibila la variatii ale alimentarii, sau acolo unde pur si simplu se doreste precizie optima.


Exemplu
Se da schema urmatoare

Si urmatorii parametrii:
-Vin minim 15V
-Vin maxim 20V
-Vout 12V
-Iout minim 0A
-Iout maxim 10mA
-Pd maxim 0,6W
-Ireg minim 5mA

Si trebuiesc calculate valorile rezistentelor, pornim de la R2 alegand un curent prin divizor pe care il consideram noi potrivit, hai sa zicem 2,5mA, si deci R2 este:


Puterea pentru R2 este:


Iar R1 este:


Dar nu avem la dispozitie o valoare standard de 3k8, alegem valoarea imediat urmatoare, deci 3k9 si obtinem o tensiune de iesire de:


Puterea pentru R1 este:


Daca aplicatia de alimentat este una foarte sensibila, si cei 0,25V in plus peste 12V sunt deja prea multi, atunci R1 se poate alege la o valoare standard sub cea obtinuta din calcule de 3800, spre exemplu 3k3 mult mai comuna, si se inseriaza cu ea un semireglabil de 1k, preferabil unul multitura, in acest fel tensiunea de iesire poate fi reglata cu precizie la fix 12V sau oricum cat mai aproape de acea valoare.

Mai avem de calculat R3, stim curentul de iesire maxim cerut, este 10mA, la el adaugam cei 5mA curent minim cerut prin regulator, si deci obtinem 15mA curent pe care R3 sa-l limiteze, deci:


200R este o valoare standard care se poate procura, deci nu insist cautand alternativa. Acum verificam daca indeplinim celelalte conditii, in special puterea maxim disipata pe regulator care este:


Curentul maxim pe regulator este cel valabil la sarcina minima care am specificat la parametrii ca este 0A, deci teoretic intreg curentul circula numai prin TL, practic nu este asa deoarece curentul divizorului este luat din Vout, apoi acest curent maxim este cel de la Vin max, prin urmare:


Astfel incat puterea maxim disipata pe regulator este:


Asadar ne inscriem suficient in limitele impuse, mai ramane sa stabilim de ce putere trebuie sa fie R3, si deci:


Evident, alegem R3 la 0,5W sau pentru siguranta la 1W.


Cum obtinem un curent mai mare?
Ok, pana aici totul este clar sper eu, am parcurs cale destul de lunga dar necesara, deoarece am pornit de la unul dintre cel mai primordiale elemente de circuit si pas cu pas am combatut foarte eficient aproape toate deficientele sale, spun "toate" deoarece a mai ramas totusi unul si poate cel mai "arzator" ca sa zic asa, Curentul maxim pentru Vout, pana acum am observat ca trebuie sa ne limitam la cateva zeci de mA, ceea ce nu este foarte util, precizia optima este utila dar nu poti alimenta prea multe aplicatii cu un curent asa mic, deci ceva trebuie facut, si ceva se poate face destul de simplu, prin adaugarea a doar 2 elemente, iata:


Noutatile sunt Q1 si R4, asa cum am observat mai sus ceea ce ne limiteaza in vederea curentului maxim pentru sarcina este puterea maxim admisa pe TL431 care putere limiteaza curentul maxim posibil prin acesta destul de jos, si trebuie sa tinem cont de acest curent maxim prin regulator care apare la sarcina minima si alimentare maxima, si sa ne asiguram ca in aceste conditii maximul admis pe regulator nu este depasit. Bineinteles ca daca avem o aplicatie unde curentul consumat este unul perfect constant atunci curentul maxim limitat de R3 poate fi ceva mai mare decat maximul admis de regulator tocmai pentru ca prin 431 va trece doar o parte din curentul maxim posibil, daca mai avem si un Vin fix atunci este si mai bine, am putea vorbi fara teama de curenti de sarcina posibili doar cu 431 singur si rezistentele aferente, de cateva sute de mA, el nu ar trebui sa shunteze catre masa ( pentru ca asta face regulatorul paralel ) decat o mica parte din acest curent, dar cum in realitate aceste conditii ideeale nu prea exista, trebuie sa luam masuri. Circuitul de mai sus asista la marirea curentului maxim de sarcina posibil, prin posibilitatea shuntarii de catre regulatorul per ansamblu a unui curent mai mare catre masa, curentul de sarcina maxim posibil este aproape egal cu cel maxim pe care regulatorul il poate shunta, spun "aproape" deoarece regulatorul are nevoie de un curent minim pentru functionare corecta, adica o parte din curent ( foarte mica ce-i drept de obicei ) se duce prin divizor, o alta parte trebuie sa treaca prin 431 ca acesta sa poata functiona corect, in ambele cazuri probabil cumulat sub 10mA, depinde de divizorul ales, si in fine o alta parte se duce prin PNP, de asta trebuie tinut cont la calcularea R3 ( rezistenta pe post de "balast" ), si este nevoie de acea rezerva peste Iout maxim deoarece ne dorim ca si la curentul maxim de iesire sa avem tot Vout dorit si corect stabilizat, in principiu cateva zeci de mA peste curentul maxim dorit la iesire, ar trebui sa fie suficient, depinde si de ce tranzistor se foloseste.

Modul de functionare este acelasi, vorbim tot despre un stabilizator paralel, R1 si R2 au acelasi scop, adica divizorul care fixeaza tensiunea de iesire, R3 la fel, rezistenta balast pentru limitare, R4 nou adaugata stabileste curentul maxim posibil prin TL431, care de data asta nu mai este influentat nici de variatiile sarcinii si nici de variatiile alimentarii deoarece la bornele R4 nu pot fi decat maxim 0,6-0,7V, adica tensiunea Vbe necesara Q1, astfel incat ne este mult mai usor sa calculam curentul maxim prin TL431 si deci si disipatia maxima pe el, TL431 trage prin R4 catre masa acest curent pana la bornele ei apar cca 0,65V moment in care Q1 se deschide si shunteaza catre masa curentul necesar mentinerii tensiunii de iesire fixa la valoarea dorita. Q1 se alege in functie de curentul de sarcina maxim dorit dar cu grija la amplificarea in curent a acestuia ( Hfe ) la curentul de colector maxim dorit, deoarece acel curent maxim de colector raportat la amplificarea in curent disponibila in acel punct, ne dau curentul de baza necesar tranzistorului, iar curentul de baza nu poate fi mai mare decat TL431 poate sa traga spre masa, si acesta din urma este dictat de catre puterea maxim admisa de noi prin TL431 raportata la Vout dorit. In cazul curentilor mai mari o solutie poate fi la fel ca si la stabilizatoarele serie, un tranzistor darlington, sau o conexiune darlington intre 2 tranzistori simplii. As dori aici a sublinia pe scurt principiul elementar al regulatorului paralel, logica sa daca vreti, imaginati-va ca regulatorul lipseste, avem doar R3 si o sarcina, deci un divizor precum cel expus la inceputul articolului, si stim ca la el orice variatie a parametrilor afecteaza tensiunea de iesire, deci daca sarcina ar trage dintr-un anumit motiv mai putin curent, tensiunea de iesire asa cum este si normal ar tinde sa creasca, ei bine in acest moment intervine regulatorul pentru a prelua rolul sarcinii shuntand catre masa suficient curent pentru a pastra tensiunea de iesire la nivelul dorit, simplist spus avem un divizor rezistiv precum cel de la inceputul articolului numai ca R2 de acolo isi tot schimba valoarea in mod automat, in functie de sarcina. Aceste lucruri ne indica faptul ca din sursa de alimentare a acestui regulator este tras in permanenta curentul maxim indiferent de cat este curentul de sarcina, si asta este un detaliu de care este bine sa se tina cont la alegerea intre regulator serie si/sau paralel.


Un ultim exemplu
Se cere proiectarea unui stabilizator paralel cu urmatorii parametrii:

-Vin minim 12Vcc
-Vin maxim 14,5Vcc
-Vout 5V
-Iout 0,5A

Schema este aceasta


Pornim intai cu Vout dorit care este 5V, si alegem pe R2, stiind deja de la exemplele de mai sus ca este rezistenta pe care pica referinta de 2,5V nu trebuie decat sa ne alegem un curent dorit prin divizor la care sa raportam acea referinta, daca spre exemplu alegem ca mai sus 2,5mA atunci R2 evident ca este tot 1k, R1 este simplu de calculat si stim deja ce avem de facut, deci nu mai repet ecuatiile, o puteti face voi, dar gratie Vout dorit este si mai simplu, ne dorim 5V la iesire, referinta este de 2,5V, referinta imparte deci fix in jumatate tensiunea de la iesire, si implicit si divizorul, pe cale de consecinta R1 nu poate fi decat egala cu R2, adica tot 1k, e un mod mai putin aritmetic si mai mult logic de a privi lucrurile pe care este bine sa-l folositi si sa-l dezvoltati cat mai mult si in cat mai multe aplicatii. Ok avem R1 si R2, continuam cu alegerea tranzistorului pentru ca fara el nu putem alege R4 foarte precis. Ne dorim la iesire 0,5A, in principiu ar merge asadar BD139 care poate suporta pana la 1,5A, puterea maxima pe care trebuie sa o disipe este produsul dintre tensiunea de iesire si curentul maxim, adica 5*0,5, deci 2,5W, BD139 poate disipa mult mai mult de atat, dar ne uitam in pdf la graficul "Power derating" pentru a afla pana la ce temperatura a capsulei putem disipa acesti 2,5W, si gasim ca:


Asadar am confirmat ca BD139 este ok atat din punct de vedere al curentului maxim suportat cat si al disipatiei. Urmeaza sa cautam in pdf graficul DC current gain, pentru a afla ce amplificare in curent avem la dispozitie pentru 0,5A, si gasim ca:


Un ultim lucru pe care trebuie sa-l stim pentru a calcula cu precizie R4 este Vbe-On corespondent curentului de colector de 0,5A, si pe asta il gasim tot intr-un grafic ( Base emitter voltage ) dupa cum urmeaza:


Acum avem tot ce ne trebuie pentru calculul R4, stim care este amplificarea in curent deci putem calcula Ib necesar, stim Vbe la acest curent care este 0,8V, deci:


Si:


Prin urmare:


Nu exista valoare standard la 128 Ohm, deci alegem varianta cea mai apropiata in jos pentru a avea o oarecare rezerva la Ib oferit tranzistorului, sa zicem 100 Ohm pentru care obtinem un curent maxim prin TL431 si deci de baza pentru tranzistor de 0,8/100=8mA, aflam ca acest curent maxim prin 431 este inca foarte mic la 8mA, disipatia pe el ar fi 0,008*5=0,04W, asadar in caz ca se considera necesar R4 se poate cobora si mai mult pentru a avea rezerve in baza tranzistorului suficient de mari avand in vedere faptul ca Hfe nu este totusi foarte stabil cu temperatura, si nici Vbe nu e deloc stabil cu temperatura ( scade cu 2,2mV/*C ), alegerea ramane a voastra a fiecaruia la acest aspect. Nu calculam puterea disipata de R4 ca este oricum mult prea mica pentru a avea importanta.

Mai avem de stabilit valoarea R3, avem nevoie de un curent maxim de 0,5A, acest curent trebuie sa poata fi asigurat si la Vin minim deci de acolo plecam, modalitatea o stim deja de mai sus, respectiv ( Vin(min)-Vout)/Iout, obtinem 14 Ohm, nu avem aceasta valoare standard, alegem pe urmatoarea in jos pentru a asigura o rezerva suplimentara, astfel incat regulatorul sa functioneze perfect si la curent de iesire maxim unde lui ii ramane foarte putin curent cu care sa lucreze, si deci mergem cu 12 Ohm pentru care curentul limitat la Vin minim este de 0,58A, curentul maxim prin R3 ( si implicit prin regulator la sarcina minima ) este cel de la Vin maxim si este de cca 0,8A, situatie in care disipatia pe Q1 creste la 4W, cu care inca putem merge in siguranta conform graficului pana spre 100*C pe capsula, adica suntem in limite bune. Puterea maxima a R3 este:


Acest ultim rezultat evidentiaza un alt posibil inconvenient al stabilizatoarelor paralele ( pe langa curentul maxim permanent tras din sursa de alimentare ), si anume disipatia mai mare pe shunt pentru ca ele trebuie sa preia o tensiune destul de mare uneori, dar avem un avantaj foarte interesant -> Protectia la scurt, care nu-i necesara, stabilizatoarele paralele sunt complet imune la scurtcircuit pe iesire tocmai pentru ca sarcina nu trage curent din ele, ci din rezistenta pe post de balast, astfel incat la scurtcircuit pe iesire curentul maxim este cel limitat de valoarea R3, si ea suporta intreg socul acelui scurt, pe stabilizator in acel moment disipatia este teoretic 0. Se pot obtine si curenti mai mari de la un stabilizator paralel, limitarea principala este insasi disipatia pe tranzistor, si deci radiatoarele necesare care uneori pot fi destul de mari ( masive chiar ), se pot folosi mai multi tranzistori de putere in paralel, ajutate dupa caz de un darlington in baza, sau de un tranzistor simplu, principiul este acelasi, deci si modalitatea de calcul si proiectare.


Aici pun punct, manifestandu-mi speranta ca nu v-am plictisit foarte tare, va multumesc pentru atentia acordata, si va doresc toate cele bune, si cat mai multe realizari.

Cu stima,
Marian.

Editat Aprilie 22, 2018 de marian

[bogdan546]

Foarte buna prezentarea.

Am vazut la sectiunea alimentatoare un tiristor simulat din doua tranzistoare .Te rog prezinta un exemplu de protectie de acest fel.

[Marian]

Multumesc.

 

Din cate stiu sunt mai multe topicuri unde apar tiristoare simulate, ideea lor este simpla, se automentin deschise, dar nu inteleg ce exemplu doresti sa prezint, despre ce protectie? Asa cum am zis in finalul prezentarii, regulatorul paralel nu are nevoie de protectie.

[bogdan546]

Ma refeream la metoda de calcul  a rezistentelor din cadrul tiristorului simulat . Stiu ca nu are legatura cu acest topic ,dar m-am gandit la o completare pentru stab.serie  sau smps .

[Marian]

Topicul de fata trateaza regulatoarele liniare, de sursele in comutatie s-a ocupat mult mai bine Smilex, in special dincolo cu al sau topic pe care sper sa reusesc cumva sa-l aduc si aici pentru ca este un material didactic excelent. Cat despre stabilizatorul serie, de acela ma voi ocupa pe larg intr-o viitoare prezentare in stilul celei de mai sus, voi scrie o data tot ce am de spus si intr-o ordine cat mai usor digerabila, nu se pune problema de a fragmenta informatia, topicul asta tocmai asta isi doreste sa combata, si anume fragmentarea serioasa a multor informatii utile. Totusi voi fi scurt cu ceva idei de principiu despre tiristorul simulat:

 

 

Aceea este schema de principiu, ideea este simpla, presupunand ca pentru oarecare motiv Q1 se activeaza, ce face el? pai trage R3 dupa el in jos catre V-, asta aduce dupa sine un anumit curent in divizorul format de R3 si R4, si daca acest divizor este dimensionat corespunzator atunci pe R4 va aparea o cadere de tensiune de minim 0,7V, acuma evident ca acesti 0,7V vor fi si pe jonctiunea BE a Q2 si deci se va activa inevitabil, el va trage dupa el in sus celalalt divizor, R2 si R1, si prin el la fel va aparea un curent, care in conditia in care divizorul respectiv este corect dimensionat va aduce minim 0,7V in baza Q1, si cercul se reia, adica un tranzistor este deschis de catre celalalt si la randul sau il deschide pe celalalt, se numeste ca tiristorul simulat a fost amorsat si din acel moment doar intreruperea alimentarii va rupe ciclul. Dimensionarea rezistentelor este simpla, in principiu daca R1=R4 si R2=R3 atunci lucrurile ar trebui sa fie in regula, valorile exacte nu sunt batute in cuie, le alegi fie in functie de curentul maxim pe care il poate oferi circuitul care alimenteaza tiristorul, fie alegi tu un curent maxim pe care sa-l suporte cele 2 tranzistoare in functie de tensiunea de alimentare, ideea este ca alegerea valorilor este destul de flexibila.

 

 

Spuneam mai sus ca si anume conditia amorsarii este ca din anumite motive unul din tranzistoare se deschide, in schema asta de deasupra noutatea este Q3 care tocmai asta face,adica amorseaza tiristorul, aplicam in baza sa o tensiune de comanda prin intermediul divizorului R6 si R5, si cand aceasta tensiune atinge un prag prestabilit, Q3 se deschide, trage dupa sine R3 si porneste ciclul descris mai sus, este suficient ca Q3 sa fie activ destul cat sa activeze pe Q2, apoi starea Q3 devine irelevanta, tiristorul va fi fost amorsat si se va automentine activ prin procedeul descris mai sus.

 

Acest montaj se gaseste mai des prin surse in comutatie ( la cele liniare nu prea ii vad rostul, acolo de obicei limitarea este una activa, nu cu stop ), si fiind una care pune stop, ne dorim ca in cazul prezentei unei limitari active de curent, protectia asta cu stop sa nu actioneze la socuri foarte scurte, unde limitarea activa face fata de una singura, in atare situatie ne dorim sa intarziem putin amorsarea tiristorului, si asta se face astfel:

 

C1 este noutatea, logica sa este ca se incarca treptat si nu brusc pana la tensiunea impusa de divizor, astfel incat el pur si simplu intarzie putin aparitia celor minim 0,7V in baza Q1 necesari deschiderii sale si deci intarzie putin amorsarea tiristorului.

 

Si cam atat as avea de zis pentru moment, este un circuit cu o logica de functionare foarte simpla si destul de versatil.

[bogdan546]

Multumesc pentru prezentare .

Am inteles ca pentru dezamorsare trebuie intrerupta alimentarea  deoarece nu se pune problema inversarii V+ si V- sau a reducerii curentului .

[Marian]

Nu pune problema asa, ia lucrurile asa cum sunt si asa cum am scris eu, nu le interpreta. Evident ca daca curentul scade sub un anumit nivel atunci ciclul se rupe, la o adica o simpla scurtcircuitare a V+ cu V- intrerupe ciclul, si in masura in care circuitul care alimenteaza tiristorul este protejat atunci poate fi folosit chiar un buton pentru asta, desi mai corecta mi se pare ideea cu intreruperea alimentarii. Nu e o ideie stralucita sa inversezi V+ cu V-.

[bogdan546]

nu ,nu am avut nicio intentie sa interpretez cele scrise ,doar am vrut sa vad daca ce am dedus eu este corect.

[Marian]

Ok atunci, s-a notat.

[Marian]

Salutari.

V-am promis in debutul acestui topic care trata regulatoarele paralel, ca o sa revin cu dezbaterea regulatoarelor serie, astfel incat iacatama's. Subiectul este unul foarte vast, regulatoarele serie liniare fiind inca, poate cele mai raspandite montaje folosite, desi comutatia castiga tot mai mult teren, totusi regulatorul liniar isi pastreaza in continuare un avantaj greu de combatut de comutatie, si anume zgomotul extrem de redus, si mai exista un avantaj poate la fel de important fata de comutatie, si anume simplitatea evidenta, un regulator liniar serie este mult mai usor de realizat si stabilizat decat unul in comutatie. Desi articolul va fi poate destul de lung ( motiv pentru care imi cer scuze anticipat daca va plictiseste ), totusi cu siguranta nu va putea trata decat partial acest subiect, nu este intentia mea sa scriu o carte in acest sens, ci doar sa contribui pe forum cu intelegerea unor notiuni mai mult sau mai putin elementare, si sa ajut de ce nu, poate si la schimbarea unor anumite mentalitati sau a modului cum este privit acest subiect, la final scopul este ca cititorul electronist amator fiind, sa isi poata dezvolta singur regulatorul necesar, sa poata face alegerile cele mai simple si usor de adaptat in cazul sau particular si sa stie la ce sa se astepte. Incep prin a incerca sa definesc in cateva cuvinte regulatorul liniar serie:

Regulatorul liniar serie este acel circuit capabil sa preia diferenta dintre o anumita tensiune de alimentare, si una dorita de iesire, si sa transforme aceasta diferenta in disipatie, si deci caldura, oferind la iesire o tensiune fixa stabilizata si neafectata de variatiile alimentarii.

Sunt 2 lucruri esentiale de retinut inca de la bun inceput:

1.-Curentul necesar sarcinii si curentul necesar de la sursa de alimentare, sunt unul si acelasi lucru, adica daca dorim un curent de sarcina de maxim 1A, atunci sursa de alimentare necesara va trebui sa ne poata oferi 1A ( evident ca daca sursa de alimentare poate oferi mai mult e cu atat mai bine ).

2.-Tensiunea necesara de la sursa de alimentare va trebui sa fie intotdeauna ceva mai mare decat tensiunea dorita de la iesirea regulatorului ( sau cea maxim dorita in cazul in care regulatorul este ajustabil ), este necesar acest lucru pentru buna functionare a sa, deoarece numai astfel se poate obtine stabilizarea iesirii la nivelul si performantele dorite.


I - Divizorul rezistiv

Cea mai elementara forma de regulator liniar serie este tot divizorul rezistiv:

Am schimbat putin dispunerea fata de varianta de la articolul despre regulatorul paralel, pentru a sublinia un principiu si a-l face mai usor de identificat cu ceea ce trateaza acest articol. Circuitul este acelasi numai ca de data asta R2 este de fapt Rs, adica rezistenta de sarcina ( sau in anumite cazuri impedanta, depinde ce tip de sarcina se alimenteaza ), diferenta fata de regulatorul paralel este ca acolo Rs era o rezistenta suplimentara in paralel cu R2, aici asa cum am zis R2 este chiar Rs.

Revenind la definitia de mai sus a regulatorului serie, R1 din schema este insasi regulatorul in sine, pentru ca de fapt asta face un regulator liniar serie, este, sau poate fi privit ca o rezistenta dinamica variabila, care isi modifica automat valoarea in functie de tensiunea de alimentare si curentul de sarcina pentru a oferi tensiunea stabilizata necesara la iesire. Acuma ca am inteles asta revenim la divizorul in sine, si avem:

Sau la fel de corect:


Nu mai insist cu exercitii sau exemple aici, am facut-o in articolul precedent, voi trece direct si pe scurt la tratarea problemelor, sau altfel spus neajunsurilor acestui circuit simplu si de aici vom purcede ulterior in rezolvarea lor.

1.- Curentul de sarcina maxim disponibil este destul de mic iar variatiile acestuia afecteaza in mod direct si substantial tensiunea de iesire;
2.- Orice variatie a Vin se va reflecta intr-o variatie a Vout proportionala cu K din formula;

Ceva trebuie sa se poata face, si se poate, exista solutii si mai simple, si mai complexe, pentru fiecare in parte, sa continuam asadar.


II - Tranzistorul bipolar -> Repetor pe emitor

Una dintre cele mai populare utilizari ale tranzistorului bipolar ( fie ca este NPN sau PNP ) este configuratia repetor pe emitor, i se mai spune si "Colector comun" ( in engleza veti intalni prescurtarea EF => Emitter Follower ), i se spune astfel datorita faptului ca tranzistorul reproduce in emitor tensiunea cu care este comandat in baza, minus tensiunea necesara polarizarii directe a jonctiunii Baza-Emitor ( pe scurt minus Vbe ), care la tranzistoarele bipolare pe siliciu este undeva in jur de 0,65V. De fapt acest Vbe poate varia destul de mult in functie de tipul tranzistorului respectiv ( de semnal, mediu sau de putere ) si curentul de sarcina, sau IC, valoarea exacta se poate extrage din pdf, in grafice. Tensiunea obtinuta in emitor este o replica a celei din baza dar la un curent mult mai mare, ceea ce face corecta si o alta denumire a acestei configuratii, si anume "amplificator de curent", aceasta caracteristica a tranzistorului o gasiti in pdf sub denumirea Hfe, si variaza in functie de mai multi factori, in cazul de fata ne intereseaza doar 2, variatia Hfe fata de IC si variatia Hfe fata de Tj ( adica fata de curentul de colector si fata de temperatura jonctiunii ), ambele pot fi deasemenea gasite in pdf. Ne vom folosi de aceasta configuratie pentru a trata primul neajuns al divizorului ( cel cu nr 1 ):

Noutatea este Q1, divizorul se pastreaza si se adauga Rs, ceea ce evident inseamna ca R2 acum nu mai este insasi sarcina, ci o rezistenta in circuit.


Unde V_B este tensiunea de comanda in baza, si V_be este tensiunea de polarizare a jonctiunii baza-emitor a tranzistorului, si:


De data asta curentul de sarcina posibil este mai mare, si influenta variatiilor sale este atenuata ( dar nu eliminata ), aceasta influenta inca este semnificativa, si o sa vedeti mai departe cum. Pentru ca sa avem un curent dorit la iesire, trebuie sa asiguram un curent minim in baza, acesta in situatia ideeala este si curentul pe care divizorul trebuie sa-l suporte, si este:


Adica in baza trebuie sa asiguram un curent minim constand in curentul maxim dorit la iesire impartit la amplificarea in curent ( hfe ) a tranzistorului. Acum variatiile curentului de sarcina afecteaza mult mai putin iesirea deoarece ele provoaca o variatie a curentului tras de baza tranzistorului, si stim deja ca acesta este curentul de sarcina impartit la hfe, deci variatia Ib este mult mai mica decat Ic, asadar si variatia VB este mai redusa, si implicit variatia Vout. Curentul de sarcina insa afecteaza de data asta Vout dintr-un motiv inexistent la divizorul simplu, si anume Vbe care variaza in functie de Ic, ceea ce implicit afecteaza Ve ( adica tensiunea din emitor ), uneori aceste variatii pot fi mai mari alte ori mai mici, uneori mai importante alte ori mai putin semnificative, depinde de cerintele sarcinii.

Exemplu:
Se da schema de mai sus, o alimentare de 20V, si se cere proiectarea unui circuit care sa ofere la iesire 5V si un curent de 1A.

Primul pas este alegerea Q1, si in acest sens trebuie sa tinem cont de cativa parametrii esentiali, primul este Vce, tranzistorul va trebui sa aiba un Vce mai mare decat diferenta dintre alimentare si iesirea dorita, in cazul de fata:


Un alt parametru necesar este IC, acesta este chiar curentul de sarcina dorit, asadar IC=Iout=1A. La regulatoarele liniare serie, disipatia este un factor determinant in alegerile facute, tocmai pentru ca marele lor dezavantaj este tocmai disipatia substantiala. In cazul de fata tranzistorul trebuie sa aiba parametru denumit Pd de nimim:


Variante posibile sunt multe, magazinele online serioase au filtre de cautare avansate care fac foarte usoara alegerea potrivita, pur si simplu bifezi Vce, Ic si PD de interes si alegi din rezultatele gasite, eu merg direct pe BD911, un bipolar NPN destul de ieftin si usor de gasit, si avem:

-Vce maxim al sau este de 100V, adica mult peste cei 15V care ne interesau pe noi;
-Ic maxim al sau este de 15A, iarasi mult peste ce ne intereseaza, deci iarasi in regula;
-Pd maxim la el este la 90W, dar asta este valabil doar la o temperatura a capsulei de 25*C, ceea ce in realitate nu este cazul ( sau oricum foarte rar se intampla ), in schimb alegem noi o temperatura maxima pana la care permitem sa ajunga si ne uitam in pdf care este puterea maxim disipabila la acea temperatura. Sa zicem ca acceptam maxim 70*C ca temperatura a capsulei, de mentionat ar fi faptul ca temperatura capsulei rareori coincide intocmai cu temperatura radiatorului, exista o anumita rezistenta termica intre capsula si radiator care face ca pentru o anumita temperatura masurata a radiatorului, capsula va fi ceva mai sus, gasim graficul asta in pdf:


Identificam pe orizontala zona celor 70*C si urmarim in sus unde se intersecteaza prima panta cu valorile de pe verticala, gasim ca la aceasta temperatura putem disipa cam 62% din maximul disponibil de 90W, adica 55,8W, ceea ce este mult peste cei 15W ce ne interesau pe noi, adica iarasi suntem in regula si Q1 poate fi BD911.

In continuare trebuiesc calculate valorile divizorului din baza, adica R1 si R2, in acest sens avem nevoie sa stim IB si VB necesare, pentru asta trebuie sa analizam alte 2 grafice din pdf-ul tranzistorului ca sa cunoastem cu exactitate Hfe si Vbe.




Avem asadar:


Si:


Ib stim ca este totuna cu Idiv, sa zicem ca alegem o valoare a sa de 15mA ca sa oferim o oarecare rezerva, atunci R2 devine:


Pe cale de consecinta R1 devine:


Schema arata acum asa:

Acum calculam cu exactitate si ceva Parametrii, incepem cu Vout, in principiu este sau trebuie sa fie, 5V, am rotunjit valorile R1 si R2 la calcul astfel incat aflam acum exact cat avem la iesire:


De retinut ar fi ca aceasta este tensiunea valabila in gol, adaugand o sarcina, tensiunea scade inevitabil, si asta deoarece in practica IB nu este intotdeauna acelasi cu Idiv, prin R1 trece atat curentul divizorului cat si curentul de baza, in gol Ib tinde catre 0, deci parametrii divizorului se respecta, cu o sarcina pe iesire Ib creste si adauga la curentul prin R1. Privind ceva mai simplist lucrurile, rezistenta echivalenta a sarcinii inmultita cu Hfe se traduce intr-o rezistenta de intrare in baza ( in fapt i se spune impedanta de intrare ), aceasta impedanta pur si simplu este pusa in paralel pe R2, si deci schimba valoarea cumulata a rezistentei de jos a divizorului si implicit si tensiunea, vom numi impedanta de intrare in baza Zb, iar impedanta echivalent cumulata a jumatatii de jos a divizorului Z2, stabilim valoarea RS din schema la 5 Ohm pentru cei 1A ceruti initial si aflam intai Zb:


In continuare aflam Z2:


Asadar acum divizorul este format din 910R sus, si 200R jos, putem acum determina Vb ( de aici incolo nu se mai pot afisa imagini direct din cauza limitarii forumului, deci vor fi doar link-uri ):


Si Vout este acum:


Verificam si comparam cu situatia lipsei Q1, in atare situatie Z2 ar fi fost combinatia paralel dintre 360R si 5R, adica 4,93R, si Vout ar fi fost:


Asadar influenta sarcinii asupra tensiunii de iesire este mult redusa, dar inca exista, dar mai exista problema nr.2 de la primul capitol, si anume aceea a variatiei alimentarii, deoarece rareori avem nevoie de stabilizator pentru a reduce o tensiunea deja stabilizata, deci in principiu avem nevoie sa stabilizam o tensiune mai mult sau mai putin variabila, si orice variatie a Vin se traduce intr-o variatie a iesirii. Iata ce se intampla daca Vin scade cu 1V:


Acest circuit rezolva cumva problema curentului mic disponibil la iesire, insa stabilizarea lasa foarte mult de dorit, deci trebuie sa rezolvam cumva acest lucru, si se poate foarte simplu, cum veti vedea in capitolul urmator, doar prin inlocuirea unei singure componente, vom obtine si stabilizare si curentul dorit.


III - NPN+Zenner

Am dezbatut in articolul precedent ( CLICK ) detalii despre functionarea si caracteristicile diodei zenner, astfel incat nu voi insista aici, in caz ca ceva v-a scapat, este recomandabil sa parcurgeti intai acel articol, inainte sa continuati cu lecturarea acestuia. Asadar ne folosim de o dioda zenner pentru a realiza un stabilizator paralel in baza tranzistorului:


Ideea este simpla, am inlocuit R2 cu o dioda zenner pentru a obtine o impedanta Z2 ( ilustrata anterior ) mult mai stabila si mai putin sensibila variatiilor sarcinii si Vin, este in esenta un stabilizator paralel in baza unui NPN care amplifica astfel curentul ce se poate trage din stabilizatorul paralel, numai ca de data asta curentul de sarcina se trage direct din alimentare de catre colectorul tranzistorului, prin rezistenta shunt a stabilizatorului paralel circula doar curentul mic de comanda, se alimina astfel o problema importanta a stabilizatoarelor paralel, si anume disipatia mare pe shunt. Dar sa nu lungim vorba, continuam elaborarea si perfectionarea stabilizatorului propus anterior. Avem nevoie la iesire de 5V, tensiunea diodei zenner trebuie sa fie cu Vbe mai mare, si stim deja ca in cazul de fata pentru cei 1A necesari noua, Vbe este de 0,6V ( am gasit in grafic ), deci zenner-ul trebuie sa fie de 5,6V, este un caz fericit acesta deoarece uneori ( sau poate deseori ) nu gasim valoare standardizata a DZ pentru tensiunea estimata de noi, dar n-avem ce sa facem decat sa rotunjim la cea mai aproape valoare standard, preferabil in sus. In continuare trebuie sa aflam rezistenta R1, stim anterior ca in baza avem nevoie de minim 11,1mA pentru ca sa obtinem cei 1A la iesire, acest curent trece bineinteles prin R1, dar trebuie sa mai asiguram si diodei zenner un curent minim permanent indiferent de sarcina, pentru ca doar asa poate stabiliza tensiunea din baza, sa zicem ca adaugam 5mA pentru zenner, si acest curent evident tot prin R1 trece, obtinem 16mA, dar hai sa rotunjim in sus ca sa oferim o rezerva de siguranta, sa zicem 20mA, acesta este curentul pe care trebuie ca R1 sa-l limiteze in functie de valoarea Vin, si deci:


Am rotunjit din nou pentru a ajunge la cea mai apropiata valoare standard, curentul limitat devine:


Nu am terminat insa de determinat valorile din schema, trebuie revenit la dioda zenner putin si aflat de ce putere trebuie sa fie. Trebuie retinut ca atunci cand avem sarcina de 1A pe iesire, conform Hfe, baza tranzistorului trage putin peste 11mA, deci pentru dioda raman cca 8mA, dar fara sarcina pe iesire, intreg curentul de 19,2mA trece prin dioda zenner, deci trebuie tinut cont de asta inainte de finalizarea schemei, si asta este unul din motivele pentru care in anumite cazuri unde curentul de sarcina este mai mare, se apeleaza la 2 tranzistori in conexiune darlington, Hfe cumulat este atunci produsul Hfe individual al celor 2, adica mult mai mare, ceea ce reduce substantial influenta IB asupra stabilizatorului paralel dioda+Zenner din baza. In cazul de fata puterea diodei zenner trebuie sa fie minim de:


Aceasta este puterea maxim disipata de dioda zenner si este valabila doar atunci cand nu avem sarcina pe iesire, suntem in regula, valoarea fiind redusa, aleg eu BZX55C5V6, o dioda de 0,5W in capsula DO35, una cu caracteristici destul de bune. Puterea disipata de R1 este:


Alegem o rezistenta de 750R si 0,5W si schema devine:


Sa analizam in continuare sumar performantele circuitului, ne intereseaza variatiile posibile ale iesirii si cauzele lor. Iesirea poate varia in functie de 2 principali parametrii, curentul de sarcina si Vin. Curentul de sarcina afecteaza atat tensiunea baza-emitor a tranzistorului cat si tensiunea stabilizata de zenner in baza tranzistorului prin intermediul IB ale carui variatii afecteaza si curentul prin dioda. Variatiile Vbe vor fi destul de mici in cazul de fata datorita curentului mic pentru tranzistorul ales, deci le ignoram acum, pentru curent mai mare variatia Vbe este totusi semnificativa si am pus deja graficul mai sus deci stiti ce aveti de facut ca sa le aflati. Tratam variatia Vdz care este evident si Vb, adica tensiunea de comanda in baza a tranzistorului. BZX55C5V6 are o rezistenta dinamica de maxim 25R ( usor de gasit in pdf ), daca ignoram variatii ale alimentarii presupunand cei 20V ca fiind ficsi atunci variatia maxima a curentului prin zenner este chiar variatia maxima IB, si stim ca IB maxim a fost estimat ca fiind 11,1mA, asadar aceasta este variatia de curent care va afecta tensiunea stabilizata de zenner, si deci variatia tensiunii stabilizate de ea este:


Orice variatie a tensiunii de alimentare contribuie la variatia curentului prin zenner si deci la variatia tensiunii de iesire. Observam asadar ca iesirea nu este imuna nici la variatiile alimentarii nici la cele ale sarcinii, insa influenta lor asupra iesirii sunt cu mult mai reduse, si deseori este deajuns asa. Ar mai fi de mentionat ca si temperatura este un factor important de influenta asupra iesirii, tranzistorul disipa 15W in sarcina maxima, si deci se incalzeste inevitabil, asta afecteaza atat amplificarea sa in curent ( deci influenta Ib ) cat si Vbe, apoi variatiile de temperatura afecteaza insasi tensiunea diodei zenner, toate se pot gasi in pdf-uri si estima exact intr-o masura mai mica sau mai mare. Concluzia este ca inca nu am obtinut un stabilizator ideeal, este mult mai bun fata de varianta cu divizor simplu in baza, insa tot nu e foarte performant, si se pot rezolva problemele enumerate aici printr-o solutie usor diferita, in capitolul urmator o abordam.


IV - NPN+TL431

Si despre TL431 am discutat in articolul precedent ( si nu intamplator il propun aici ), deci ar trebui sa stim deja cate ceva despre el, si despre ce urmeaza:


Ne folosim de ceea ce se numeste amplificator de eroare, ideea este simpla, TL431 face tot posibilul sa mentina referinta la 2,5V, deci va mentine tensiunea la bornele R2 fixa la aceasta valoare de 2,5V, si cum atat R2 cat si R3 sunt fixe, rezulta ca si iesirea va fi fixa indiferent de variatiile sarcinii sau ale alimentarii. Principiul amplificatorului de eroare este destul de usor de asimilat, se foloseste un comparator cu una din intrari ( in cazul de fata inversoarea ) la o referinta fixa interna sau externa ( in cazul de fata interna ), cealalta intrare citeste prin intermediul unui divizor, tensiunea de la iesire, atunci cand iesirea tinde sa se deplaseze de la valoarea ideeala, asta se traduce intr-un semnal de eroare, o diferenta de potential intre cele 2 intrari care este amplificata cu valoarea Aol ( amplificarea in bucla deschisa a comparatorului ) si redata la iesire. In cazul de fata daca iesirea tinde sa scada atunci scade si tensiunea de pe R2, si deci cea vazuta de comparatorul TL431 la neinversoare, si stim de la principiile elementare de functionare ale unui amplificator operational/comparator ca atunci cand inversoarea este mai pozitiva decat neinversoarea, iesirea trage in jos catre minus/masa, in cazul de fata iesirea comparatorului trage in jos si se blocheaza tranzistorul de pe iesire al TL431 ( a se consulta diagrama cu schema bloc ), baza tranzistorului Q1 este trasa de R1 in sus catre Vin si deci se forteaza cresterea tensiunii de iesire. Invers daca iesirea tinde sa creasca peste valoarea ideeala, creste si tensiunea vazuta de comparator la neinversoare si deci si iesirea sa trage in sus catre plus, asta deschide tranzistorul de pe iesire intern al TL431 si colectorul acestuia trage baza Q1 din schema in jos catre masa, deci tensiunea de iesire este redusa.

Ca sa completam schema avem nevoie sa stabilim valorile R1, R2 si R3, restul parametrilor raman aceiasi, adica alimentare de 20V, iesire dorita de 5V la 1A. Si incepem cu divizorul de pe iesire, respectiv alegerea R2, tinand cont de faptul ca ea stabileste curentul in divizor prin relatia Uref/R, referinta este de 2,5V, si conform pdf Iref este recomandat intre 0,5-10mA, alegem un curent undeva la mijlocul plajei, sa zicem 5mA, R2 devine:


R3 se afla usor acum, cunoscand iesirea dorita si valoarea R2 plus referinta de pe ea:


Dar poate fi si mai simplu de atat, tensiunea dorita la iesire este in cazul de fata pur si simplu dublul referintei, ceea ce inseamna ca pe R3 pica exact cat pica si pe R2, deci R3 trebuie sa fie exact cat este si R2, sau altfel spus:


R1 trebuie sa asigure atat IB care este tot 11,1mA (calculati initial conform Hfe), cat si un curent minim prin TL431, deoarece acesta are nevoie de un curent minim pentru a functiona corect, pdf-ul zice ca e nevoie de minim 1mA si maxim 100mA, acest curent minim este valabil la sarcina maxima de 1A cand IB este maxim, atunci cand nu exista sarcina, la fel ca si la dioda zenner tot curentul din R1 trece prin TL431. Hai sa fim ceva mai generosi, sa zicem ca alegem un curent minim prin TL431 de 10mA, in felul asta asiguram o rezerva generoasa pentru IB care la cei 11,1mA ai sai calculati, rezulta 21,1mA, deci R1 este:


Calculam si disipatiile:





Oricum se subantelege faptul ca R3 avand aceeasi valoare ohmica precum R2, si disipatia va fi aceeasi.

TL431 va disipa:


Cam asa arata acum schema:


Au fost adaugati C1 si C2 deoarece pentru stabilitate, este necesara o capacitate minima pe iesire. Performantele circuitului sunt acum mult mai aproape de ideealul dorit, variatiile sarcinii si ale alimentarii nu mai pot afecta iesirea deroarece atata timp cat TL431 are rezerva suficienta cu care sa lucreze ( adica o diferenta minima de cativa V intre alimentare si iesirea dorita ), va pastra fara dificultate iesirea fixa la cat este necesar, nici variatiile temperaturii nu vor mai afecta iesirea datorita faptului ca TL431 are o referinta termocompensata. Posibile motive de eroare pot fi valorile exacte ale rezistentelor R2 si R3, avand in vedere tolerantele alese si faptul ca pot varia usor cu temperatura, dar aceste erori sunt mult mai mici, si de cele mai multe ori nesemnificative.

Pana aici totul este destul de aproape de ideeal, dar nu am luat nicaieri in calcul si situatia unui scurt accidental pe iesire, nici o limitare a curentului de sarcina maxim posibil, adica circuitul nu este protejat nici la suprasarcina si nici la scurtcircuit pe iesire, dar si asta se va rezolva in urmatorul capitol ( si ultimul ).


V - Protectie

Nici un stabilizator serie nu se poate numi unul performant fara o protectie la scurtcircuit accidental pe iesire, si astfel de situatii nedorite pot aparea din varii motive, fie neatentie personala, fie diverse avarii ale sarcinii alimentate, deci luam masuri de protectie, in cazul de fata o solutie destul de simpla ne scapa de griji:


Ne folosim de Q2 si R4 pentru a converti montajul intr-un generator de curent constant, dimensionat corect, acesta nu va afecta performantele circuitului in regimul normal de lucru cerut, in schimb la caz de scurt sau suprasarcina, el pur si simplu va limita curentul maxim pe care circuitul il poate oferi la iesire, si in acest mod limiteaza curentul maxim prin Q1, deci il protejeaza. Principiul functionarii este simplu, atunci cand curentul de sarcina ajunge la un anumit prag prestabilit pe R4 apare o cadere de tensiune suficienta cat sa deschida pe Q2, acesta trage baza Q1 spre iesire ( corect spus este ca se trage curentul din baza al Q1 ), si se limiteaza IC pentru acesta, are loc o reactie negativa locala cu un punct de echilibru stabilit la pragul de curent ales.

Alegerea celor 2 componente se face destul de usor, Q2 trebuie sa suporte curentul de scurt maxim limitat de catre R1, si tensiunea maxima de alimentare. Curentul de scurt prin R1 nu este totuna cu acel curent maxim stabilit de noi la 21,1mA, pentru ca in eventualitatea unui scurt pe iesire, putem spune ca R1 pur si simplu face scurt pe alimentare prin intermediul Q2, deci IC pentru Q2 trebuie sa fie:


Si stiind ca Vin este 20V, rezulta ca tranzistorul Q2 poate fi unul cu minim 0,1A si minim 20Vce, aleg eu BC546 cu IC de 0,1 si Vce de 65V.

La alegerea R4 trebuie sa stabilim noi un prag maxim de curent la care sa intervina protectia, alegerea se face tinand cont de curentul maxim dorit in regim normal de functionare, ca sa ne asiguram ca acesta nu este afectat, in cazul nostru avem curent maxim dorit de 1A, sa zicem ca alegem pragul limitarii la 2A, luam in calcul o tensiune BE a Q2 de 0,65V si deci valoarea R4 este:


Puterea disipata de R4 este:


Deci schema este in final:


Totul pana aici s-a axat pe o alimentare fixa de 20V, insa in realitate rareori avem luxul unei alimentari fixe, de cele mai multe ori aceasta variaza, si pentru calcularea valorilor componentelor trebuie sa tinem cont de aceste variatii, mai precis de 2 praguri limita estimate, adica la cat va scadea cel mai mult alimentarea ( Vmin ) si la cat poate urca cel mai mult ( Vmax ). Valoarea minima este importanta in vederea stabilirii R1 din schemele prezentate tinand cont ca la aceasta valoare minima a alimentarii noi trebuie sa avem totusi curent suficient prin R1 incat sa alimentam corect atat tranzistorul serie ( in cazul de fata Q1 ) cat si dioda zenner sau TL431 dupa caz, adica la formulele de calcul pentru rezistenta ohmica a R1, punem la Vin valoarea minim estimata a sa. Valoarea maxima a Vin conteaza in determinarea disipatiilor pe R1 si pe zenner sau TL431 dupa caz, deoarece o data cu cresterea alimentarii, creste inevitabil si curentul prin R1, deci si disipatia prin ea, dar creste si curentul prin zenner sau TL431, deci si disipatia prin ele, asadar la estimarea disipatiei punem la Vin valoarea maxim estimata.

In cazul in care se doreste ca iesirea sa fie ajustabila, R3 se inlocuieste cu un potentiometru a carui rezistenta maxima trebuie sa asigure iesirea maxim dorita, se folosesc procedeele de calcul deja expuse mai sus. Daca se doreste un curent de iesire mai mare atunci se folosesc mai multi tranzistori de putere in paralel, punand la fiecare cate o rezistenta de putere in emitor de aceeasi valoare la fiecare in parte, pentru o impartire cat mai egala a curentului intre ei, se mai poate deasemeni reduce R4 si astfel pragul limitarii creste, dar trebuie ales cu grija curentul continuu maxim ales prin tranzistor deoarece trebuie sa tinem cont de disipatia maxima pe el, fapt care limiteaza destul de mult o sursa liniara. Si aici aveti deja tot ce trebuie expus mai sus pentru a putea face alegerile corecte.


Concluzii

In incheiere facem o scurta recapitulare si analiza a pasilor parcursi, am plecat de la un divizor simplu si apoi de la niste parametrii ceruti, si pas cu pas am optimizat circuitul, obtinand performante mai bune de fiecare data, in final am obtinut un circuit cu o buna imunitate la variatii ale sarcicii, alimentarii sau temperaturii, si bine protejat, totul cu doar cateva componente simple si ieftine. Fiecare varianta in parte poate fi utila si deci potrivita in functie de situatie si de cerinte.

Nu am apelat la nici o simulare deoarece am fost acuzat nu doar o data ca ma bazez prea mult pe simulator si nu pe fapte reale, si oricum nu era nevoie, atunci cand intelegi niste notiuni nu foarte complexe, stii ce ai de facut, si simulatorul daca este folosit nu poate decat sa-ti confirme ceea ce calculasei deja. Asa cum am zis la inceput articolul este lung, si inevitabil este asa, pentru ca multe au fost de zis cu scopul de a va facilita asimilarea procedeelor implicate, si totusi in ciuda lungimii sale, in fapt nu acopera decat partial acest domeniu foarte vast al surselor liniare, trateaza doar un caz ca atare, cu un stil distinct, variante sunt insa foarte multe pentru a obtine exact ceea ce s-a dorit de la inceput in acest articol, unele mai simple altele mai complicate, am ales o versiune care sa aiba un grad de dificultate modic dar performante cel putin decente, si totodata sa aiba o oarecare legatura cu articolul precedent, pentru a fi mai usor de asimilat totul. Desi articolul detine deja cam tot ce este necesar pentru adaptarea la orice cerinte necesare voua, totusi sunt constient ca experienta nu se castiga peste noapte, astfel incat va stau la dispozitie pe topicul de mai jos in cazul in care doriti sa adaptati cele ce ati citit aici in cazul vostru si nu va descurcati ( asigurati-va intai ca ati citit cu atentie tot ce s-a scris aici ):
http://www.elforum.info/topic/97185-discutii-scheme-alimentatoare/

Aici ma retrag, va cer scuze daca v-am plictisit, si va multumesc pentru eventualitatea in care ati avut rabdare sa cititi totul.
Toate cele bune.
Marian@Elforum.

Editat Aprilie 22, 2018 de marian

[Marian]

Salutari tuturor.

Asa cum am promis, revin cu un exemplu practic de proiectare si calcul a unui regulator serie liniar bazat pe TL431, la niste parametrii ceva mai practici. Primul pas este tocmai alegerea parametrilor de lucru, si incepem:

-Tensiune de iesire ajustabila intre 2,5-30V ( minimul va fi cel impus de referinta TL431 );
-Curent de iesire maxim dorit in regim continuu 10A;
-Protectie la scurtcircuit;

Schema elementara este aceasta ( cunoscuta si din prezentarea precedenta ):


Am prezentat AICI detaliile functionale ale schemei, noutatea este R3 care devine un potentiometru pentru a obtine o iesire ajustabila.

Evident ca schema de mai sus nu poate suporta 10A, deci trebuie adaptata, si in acest sens purcedem intai la alegerea tranzistorilor serie ( echivalentul Q1 din schema ), un singur tranzistor serie asa cum apare in schema nu va putea face fata, astfel incat alegem mai multi in paralel, o sa vedem indata cum determinam si cati trebuiesc. Intai alegem tranzistorul serie de putere folosit, am explicat in articolul precedent ce conditii trebuie sa indeplineasca acest tranzistor, aici nu mai insist foarte mult, aleg direct TIP35C, fiind un tranzistor de putere destul de comun si accesibil ca si pret, voi puteti alege oricare alt tranzistor serie de putere preferati, tineti de la inceput cont de tensiunea pe care trebuie sa o vada, aceasta trebuie sa fie cel putin egala cu tensiunea de alimentare, TIP35C are 100V deci nu avem nici un stres.


Cati de TIP35C in paralel sunt necesari?

Pentru a face alegerea corecta trebuie sa determinam puterea maxim disipabila de catre tranzistor la o temperatura maxim acceptata de noi pentru capsula sa, si de acolo estimand tensiunea CE maxim vazuta de tranzistor, putem determina si ce curent maxim putem admite prin el. Pentru asta consultam pdf-ul si observam ca TIP35C poate disipa un maxim absolut de 125W, dar asta in conditii foarte stricte, conditii care in practica nu pot fi indeplinite, cea mai importanta fiind temperatura de lucru, am vorbit deja anterior despre caracteristica "Power derate", adica graficul din prezentarea anterioara cu "Derating curves", trecem aici direct la fapte stabilim o temperatura maxima pe care o admitem noi pe capsula si cautam graficul in care estimam ce putere maxima putem disipa acolo, si sa zicem ca vom accepta ca temperatura maxima la care sa se poata ajunge pe capsula este 80*C, iata graficul cu rezultatul pentru TIP35C:


Asadar putem disipa in siguranta cate 70W pe fiecare tranzistor, acuma, disipatia maxima este atunci cand iesirea este minima si curentul este maxim, asta pentru ca in acel moment tranzistorul vede tensiunea maxim posibila, si suporta curentul maxim, deci produsul U*I este si el maxim. Ca sa stim tensiunea CE maxim posibila trebuie sa stim iesirea minima si alimentarea, stim ca avem iesire minima de 2,5V dar nu stim ce alimentare avem, aceasta va trebui sa fie la un anumit nivel minim necesar pentru a asigura resurseie cerute regulatorului, si acest nivel inca nu poate fi determinat cu exactitate pentru ca etajul de putere inca nu este finalizat, dar putem estima sa zicem o alimentare de 35V si pornim de acolo, iar ulterior cand vom avea o cifra mai exacta putem reveni asupra calculului pentru a fi siguri ca ne inscriem in limitele ok. Acum putem estima un curent maxim admis prin tranzistor in aceste conditii, si el este:


Si numarul necesar de tranzistori in paralel devine:


Prin rotunjire in sus a numarului de tranzistori folositi, curentul maxim prin fiecare scade dupa cum urmeaza:


Deci putem acomoda o diferenta maxima de tensiune CE pe tranzistori de:


Astfel incat alimentarea maxim posibila poate fi acum la 35+2,5, adica 37,5Vcc, in timp ce eu am estimat ca ar trebui sa fie de cca 35Vcc, deci ar fi in regula. Totusi calculul se bazeaza pe o putere maxim estimata a putea fi disipata de tranzistor in conditiile date, intotdeauna am recomandat sa ne tinem departe de maximul posibil, deci haidem sa fim generosi si sa stabilim ca vom folosi 6 tranzistori in paralel, in situatia asta curentul maxim prin fiecare va deveni:


Si luand in calcul o alimentare de 35Vcc, si deci o diferenta maxima de 32,5V cadere pe tranzistori, disipatia pe ei maxima in regim continuu este:


Este rezonabil de departe de maximul estimat in pdf, deci este in regula si acesta va fi numarul de tranzistori in paralel folositi. Schema elementara acum devine aceasta:


Etajul de putere insa nu este gata, este evident faptul ca nu vom putea asigura in baza curentul necesar asa cum arata acum schema, astfel incat va trebui un asazis "prefinal", posibil chiar 2, adica ar putea fi suficient un dublet darlington, sau ar putea fi necesar un triplet, vedem ce si cum in continuare. Intai determinam IB necesar grupului de 6*TIP35C, si acesta este raportul dintre curentul maxim dorit la iesire si amplificarea in curent a TIP35C ( hfe-ul ), o cautam in pdf-ul tranzistorului, cautam graficul "DC current gain" si acolo urmarim pentru maximul estimat de 1,66A pe fiecare tranzistor, ce hfe corespunde:


Mie valoarea aia mi se pare cam optimista, motiv pentru care am verificat mai multe pdf-uri si rezultatul este cam acelasi deci sa zicem ca e asta hfe-ul, ce-i drept din cate vad in grafic, cu cat creste curentul cu atat scade hfe-ul, si destul de abrupt, oricum vom face tot posibilul sa fim cat mai generosi la tot ce este inaintea bazei lor ca sa nu avem surprize neplacute, si tot din motive de generozitate eu voi lua in calcul o valoare medie de 100hfe, voi puteti sa ramaneti la cei 125 si sa refaceti calculele dupa modalitatea ce-o voi prezenta, sau puteti sa-mi urmati exemplul, alegerea va apartine. IB este acuma:


Valoarea asta mica este un alt beneficiu al alegerii cu generozitate al numarului de finali in paralel, dupa cum vedeti Hfe este destul de mare la curent de colector mic. In asa conditii alegerea prefinalului folosit este destul de usoara, si un dublet darlington ar trebui sa fie suficient. Acel tranzistor trebui sa poata suporta cel putin 100mA, si sa aiba un Vce cel putin egal cu tensiunea de alimentare. Eu merg pe BD139 cu al sau IC de 1A, sta suficient de bine la capitolul curent, si cu Vce de 80V, e departe de ce va vedea in circuitul de fata, schema este acum urmatoarea:


In continuare trebuie stabilita valoarea R1, dar pentru a putea face asta trebuiesc cunoscute cateva aspecte, printre care si Ib la Q8, acesta este asa cum v-ati astepta raportul dintre curentul sau de colector si hfe corespondent acelui curent, stim curentul maxim de colector al Q8 care este totodata si curentul maxim de baza al grupului de 6*TIP35C, adica 100mA, ne uitam in graficul respectiv pentru BD139 si gasim:


Deci IB la Q8 este:


Acesta este curentul minim necesar pe care R1 trebuie sa-l asigure pentru baza Q8, dar nu este intreg curentul pe care R1 il suporta pentru ca tot aceasta rezistenta trebuie sa alimenteze si elementul regulator in sine, adica TL431, deci peste acel Ib de la Q8 adaugam si un curent minim impus pentru TL431, sa zicem ca stabilim ca si anume, curentul minim prin regulator va fi cel putin 3mA, ceea ce inseamna ca R1 trebuie sa asigure cel putin 4mA circuitului, mai ramane de stabilit tensiunea care pica la bornele R1, si aici lucrurile nu mai sunt la fel de simple ca la varianta cu iesire fixa, datorita configuratiei cu U ajustabil, tensiunea la bornele R1 va varia destul de mult intre 2 extreme dupa cum urmeaza:

1.- Valoare minima prezenta la bornele R1 atunci cand alimentarea este minimul estimat, tensiunea de iesire este maximul reglabil, iar curentul de sarcina este maxim si este egala cu:


2.- Valoare maxima prezenta la bornele R1 atunci cand alimentarea este maxima, tensiunea de iesire este minimul reglabil, iar curentul de sarcina este minimul posibil, adica cel impus de divizorul de la referinta TL431:


Se observa asemanarea cu formula de mai sus cu observatia ca s-au inversat limitele la Vin si la Vout, adica primul din cel minim a devenit cel maxim, si celalalt din maxim a devenit minim, adica exact cum spuneam anterior, se mai observa deasemeni lipsa R4 din calcul, se intampla asta deoarece la curent minim caderea pe R4 este practic nesemnificativa si poate fi ignorata.

Nu avem inca stabilita alimentarea deci nici valoarea R1 nu o putem calcula, purcedem deci la calculul alimentarii necesare, aceasta trebuie sa fie cel putin de:


Si iarasi ne lovim de o mica problema, pentru a stabili corect caderea de tensiune de pe R1 trebuie sa avem deja tensiunea de alimentare data, si ca sa se intample asta, trebuie sa avem deja R1 stabilita... spargem cercul asta vicios fie prin alegerea estimativa a unei tensiuni de alimentare, fie prin impunerea de catre noi a unei tensiuni minime permisa pe R1, ceea ce poate parea cam acelasi lucru, totusi eu merg pe varianta a 2-a, accept ca pe R1 sa am cel putin 3V. In continuare verificam pdf-urile Q1 si Q8 pentru aflarea Vbe la curentul dat, la TIP35C avem 1,66A si un Vbe necesar pentru acest curent de:


Iar la BD139 cu cei 100mA curent de colector ai sai, gasim in pdf:


Mai trebuie stabilita caderea de pe R4, inca nu-i cunoastem valoarea dar e simplu de observat ca pe ea nu poate pica mai mult decat este Vbe la Q2, luam in calcul o valoare tipica de 0,65V si deci formula pentru alimentarea minima arata acum asa:


Si R1 este acum simplu de aflat ( de aici limitarea de 20 de imagini afisate direct in postare isi spune cuvantul, voi pune doar link-urile directe, dati click pe ele ):


Puterea disipata de R1 este maxima atunci cand tensiunea la bornele ei este maxima, si asta se intampla asa cum spuneam atunci cand alimentarea este maxima, iesirea este minima reglabila, iar curentul de sarcina este doar cel impus de divizor ( adica insignifiant ). Inca nu stim ce alimentare maxima vom avea, deci trebuie stabilit acest aspect inainte de a merge mai departe. Daca alimentarea se va face dintr-o sursa stabilizata ( liniara sau in comutatie, industriala sau home-made ) atunci Vinmax=Vinmin=35V, deci nimic deosebit, daca in schimb avem de gand sa folosim un traf de retea, trecem la stabilirea tensiunii din secundar necesara la el. ne dorim un minim de 35,3Vcc in sarcina de 10A, deci tensiunea Vca corespondenta este 35*0,707 adica 25V, la valoarea asta adaugam caderea de pe redresare, pentru varianta in punte as lua in calcul o cadere pe redresare la un curent de 10A de cca 2V, valori mai exacte se pot gasi in pdf-ul puntii redresoare folosite, deci secundarul va trebui sa aiba in sarcina de 10A, 25+2V, adica 27V, dar traful nu este un generator ideeal de tensiune, asadar trebuie sa luam in calcul o cadere de tensiune in sarcina, de regula se accepta ca traful sa aiba o cadere de tensiune in sarcina maxim dorita de maxim 10% fata de tensiunea in gol, adica la cei 27V trebuie sa adaugam 10% pentru a obtine valoarea necesara de la secundar in gol, adica 29,7 => 30Vca va trebui sa aiba traful in gol.

Acum putem estima tensiunea de alimentare maxima pentru regulator, aceasta este valabila la sarcina minima, si din cei 30V scadem caderea de pe redresare, care la curent de ordinul mA nu ar trebui sa fie mai mare de 1,4V, deci raman 28,6V, care impartiti la 0,707 rezulta 40,5Vcc tensiune de alimentare maxima. Puterea maxim disipata pe R1 este:


Q2 este tranzistorul care asigura protectia la scurt, il alegem si pe el astfel incat IC al sau sa fie cel putin egal cu IR1max, iar Vce cel putin egal cu Vin max, curentul maxim prin R1 este asa cum am aratat 49mA, iar alimentarea maxima 40V, mergem la Q2 pe BC546, in fapt curentul prin Q2 la scurt pe iesire este un picut mai mare, si asta datorita faptului ca in cazul scurtului pe iesire, Q2 merge cu emitorul la masa, iar colectorul prin R1 la plus, si daca luam in considerare o tensiune de saturatie a sa de maxim 0,5V rezulta cam 40V pe R1 si deci un curent de colector maxim pentru Q2 de 40/750, adica cca 53mA, totusi destul de departe de maximul de 100mA admis de Q2, ceea ce este in regula. R4 trebuie sa asigure la suprasarcina si/sau scurtcircuit tensiune de deschidere necesara Q2, aceasta este tipic 0,65V, prin R4 va trebui sa putem avea cel putin 1,66A ( curentul maxim de colector calculat pentru fiecare TIP35C ), deci limitarea va trebui pusa peste acest prag, sa alegem noi 2A prag de limitare, ceea ce inseamna ca R4 este:


Puterea maxim disipata pe R4 in regim continuu este cea valabila la curentul maxim continuu prin Q1, care stim ca este 1,66A, deci:


Si schema pana aici este:


In continuare avem de stabilit divizorul de la referinta TL431, avem in partea de sus un potentiometru, iar in partea de jos o rezistenta fixa, anterior recomandasem alegerea unui curent prin divizor si de acolo stabilita valoarea rezistentei de jos, dar aici ne putem lovi de problema valorii potentiometrului, deci as sugera sa se aleaga intai valoarea sa si de acolo verificat daca poate fi acomodata, alegem un potentiometru standard, sa zicem ca 10k ( unul usor de gasit ), si trecem la stabilirea curentului prin divizor, potentiometrul va fi in schema o rezistenta variabila intre 0 si 10k, cu valoarea maxima valabila numai la iesirea maxima de 30V, pe potentiometru pica iesirea minus referinta, deci:


R3 este chiar potentiometrul din schema, si este maxim la iesire maxima, deci 10k. R2 este:


Puterea disipata pe potentiometru este:


Si trebuie tinut cont de ea in vederea alegerii potentiometrului care trebuie sa fie evaluat la minim 100mW. Iar puterea disipata pe R2 este:


C1 si C2 au ca principal scop stabilitatea elementului regulator, tensiunea este deja una bine stabilizata deci valorile lor sunt mai degraba la alegerea utilizatorului, eu merg pe 100uF+100n. Schema finala ar fi:


Ar mai fi cateva mentiuni de facut:

-Disipatia maxima pe TL431 este cea in situatia in care iesirea este reglata la minim, si curentul de sarcina este deasemeni minim, in situatia asta curentul prin R1 este cel maxim estimat mai sus, adica 49mA, si cum curentul de sarcina este foarte mic cu iesirea in gol ( 2,75mA impus de divizor ), Ib la Q8 este nesemnificativ, deci se poate considera ca intreaga valoare de 49mA se scurge catre masa prin TL431, el poate suporta maxim 100mA, deci suntem la adapost de supracurent prin el, in acest punct tensiunea intre catod si anod este cea minim posibila, si este:


Deci disipatia maxima pe TL431 este 3,8*0,049=186mW, mult sub maximul de 0,6W mentionat in pdf, deci in regula.


-Disipatia maxima pe Q8 trebuie deasemeni luata in seama, ea are loc la iesire minima combinata cu curent de sarcina maxim care corespunde curentului de colector maxim pentru Q8, si este:


Asadar obligatoriu va avea nevoie de radiator si Q8, si este bine sa se tina cont de asta la trasarea cablajului. Pe grupul de 6*TIP35C am aratat mai sus ca vom disipa un maxim de 54W per caciula, deci un total de 324W care vor trebui disipati in regim continuu de catre radiatorul pe care cei 6 tranzistori vor fi montati. Aceasta disipatie este valabila la iesire minima combinata cu curent maxim, cum insa mai rar se obtine consum de 10A la doar 2,5V, se permite o oarecare portita de scapare, o oaresce flexibilitate in alegerea radiatorului, totusi acesta va trebui sa fie destul de mare ( mai mare chiar decat la amplificatoarele audio ), dar asta tine de insasi marele neajuns al surselor liniare, si nu face obicetul acestei discutii, deci va descurcati voi.

 

 

Concluzii:

 

Am plecat de la descrierea elementara a principiilor valabile pentru regulatorul liniar serie, am continuat alegand o anumita configuratie pe care am elaborat-o acum intr-un final, obtinand o schema destul de practica si deasemeni simpla. Valorile prezentate aici nu sunt batute in cuie dar sunt recomandate pentru buna functionare a schemei pe intreaga plaja de reglaj tensiune, si la maximul dorit de curent. Evident ca se poate adopta o configuratie cu un curent de iesire mai mic, sau de ce nu poate mai mare, sau cu o plaja de tensiune mai mica, etc... tot ce trebuie stiut pentru a face alegerile corecte, deja s-a scris in aceasta prezentare, deci nu va ramane decat sa va inarmati cu rabdare, sa parcurgeti postarea si sa adaptati totul la cazul vostru.

 

Cam asta ar trebui sa fie tot, in cazul in care ati avut rabdarea sa citit tot, va multumesc, daca v-a mai si placut continutul atunci e perfect; in cazul insa in care v-ati plictisit pe parcurs... asta e, cer scuze.
Numai bine.

Editat Aprilie 22, 2018 de marian

[Marian]

Link-uri imagini functionale din nou.

[barbulescuorlando]

Mulțumim dl Marian.  Pot adăuga un link către un articol al dl Eliot cu privire la regulatoarele liniare de tensiune și eliminarea, pe cât posibil , al riplului pe ieșire?

Pentru mine a fost foarte interesant. Articolul, din păcate e doar în engleză.

Editat Decembrie 19, 2018 de barbulescuorlando

[crysti]

Ce parere aveti de folosirea tranzistorilor MOSFET in modul linear? Aceștia rezistă la curenți mai  mari si pot disipa o putere mult mai mare decât tranzistoarele bipolare. Ex. FDL100N50F poate disipa 2500W si rezista pana la 100A.

 

Editat Ianuarie 2, 2022 de crysti

[Costa]

On 4/22/2018 at 5:01 PM, Marian said:

Link-uri imagini functionale din nou.

Multumesc Marian,acum am descoperit,din nou multa munca in folosul tuturor.

Nu stiam despre TL431 ,e pe lista pt urmatoarea  comanda.

Poate reusesti sa "repari" si imaginile din materialul :

"Calculul simplificat al alimentarii amplificatorului audio"