Stabilizatoare de tensiune liniare.

Stabilizatoare de tensiune liniare - HobbytronicaBine te-am găsit !

Toate circuitele electrice sunt proiectate să lucreze cu o anumită tensiune de alimentare considerată optimă. În practică însă, tensiunile de alimentare variază între anumite limite. Unele circuite sunt mai tolerante faţă de aceste variaţii, altele mai puţin. Pentru a rezolva problema acestor variaţii au fost dezvoltate o serie de circuite care la intrare acceptă o tensiune electrică variabilă (între anumite limite) şi oferă la ieşire o tensiune electrică mai mică dar foarte stabilă. Aceste circuite poartă denumirea de stabilizatoare de tensiune iar astăzi vom începe să le cunoaştem pe cele mai simple dintre ele: stabilizatoarele de tensiune liniare.

  • Ce este un stabilizator de tensiune liniar;
  • Stabilizatorul de tensiune paralel;
  • Stabilizatorul de tensiune serie;
  • Stabilizatoare de tensiune liniare integrate;
Ce este un stabilizator de tensiune liniar ?

Stabilizatorul de tensiune liniar presupune existenţa unei componente electrice active – diodă sau tranzistor (numit şi element activ) – care îşi ajustează rezistenţa electrică internă astfel încât tensiunea de la ieşirea stabilizatorului să fie constantă. Cu alte cuvinte, elementul activ nu face altceva decât să gâtuie mai mult sau mai puţin curgerea curentului electric prin el astfel încât tensiunea electrică de la ieşirea stabilizatorului sa rămână constantă. Această variaţie de rezistenţă internă tinde să contracareze efectul variaţiei tensiunii de intrare sau a variaţiei curentului consumat la ieşire în următoarele moduri:

  • dacă tensiunea de intrare creşte, elementul activ îşi creşte rezistenţa internă pentru a impiedica creşterea tensiunii la ieşire. În mod similar, scăderea tensiunii de intrare produce scăderea rezistenţei interne a elementului activ;
  • dacă sarcina conectată la ieşire cere un curent mai mare de la stabilizator, elementul activ se deschide mai mult împiedicând astfel scăderea tensiunii de ieşire. În mod similar, scăderea curentului cerut de sarcina de la ieşire produce creşterea rezistenţei interne a elementului activ.

Oricum ar varia tensiunea de intrare sau curentul de sarcină, elementul activ răspunde într-un mod liniar, proporţional:

  • dacă tensiunea de intrare creşte cu 15%, elementul activ îşi creşte rezistenţa internă tot cu 15%;
  • dacă sarcina conectată la ieşirea stabilizatorului cere un curent de 10 ori mai mare, elementul activ îşi reduce rezistenţa internă tot de 10 ori.

În acest moment putem trage concluzia cum că: stabilizatorul liniar este un stabilizator al cărui element activ, în funcţionare normală, este mereu parcurs de un anumit curent electric.

Într-o altă ordine de idei, putem spune că un stabilizator liniar nu poate funcţiona dacă elementul activ este complet deschis sau complet închis. Asta ar însemna că la ieşire am avea ori exact aceeaşi tensiune ca şi la intrare ori nu am avem deloc tensiune (şi implicit nici vorbă de stabilizare).

Ştim că treaba unui stabilizator de tensiune este să menţină la ieşire o tensiune constantă. Dar de unde ştie el la ce valoare trebuie să menţină acea tensiune ? Pentru a rezolva această problemă, stabilizatorul are nevoie de o tensiune etalon numită tensiune de referinţă. În funcţionarea sa, stabilizatorul compară mereu tensiunea de ieşire cu tensiunea de referinţă iar dacă este sesizată vreo diferenţă, elementul activ îşi modifică rapid rezistenţa internă astfel încât cele două tensiuni să devină egale.

O.K., am discutat destul la modul general. Este timpul să ne concentrăm pe funcţionarea propriu-zisă a principalelor tipuri de stabilizatoare liniare.

Stabilizatorul de tensiune paralel

Cea mai simplă formă de stabilizator de tensiune paralel este cea prezentată în figura 1. Precizez că atât în figura 1 cât şi în celelalte, bulinele colorate în roşu simbolizează borne pozitive iar cele colorate în albastru reprezintă borne negative.

Denumirea de paralel vine de la faptul că elementul activ este conectat în paralel cu ieşirea stabilizatorului. Revenind la figura 1 vedem că dioda D este polarizată invers, deci în aparenţă ea nu ar trebui să conducă curent electric şi deci ar fi ca şi cum nici nu ar exista. Însă dacă ne uităm atent vom vedea că simbolul acesteia corespunde cu simbolul unei diode Zenner. Aşa cum spuneam şi aici, diodele zenner pot fi văzute ca nişte diode obişnuite despre care ştim precis care este tensiunea de străpungere (tensiunea de la care încep să conducă curent electric atunci când sunt polarizate invers). Reevaluând acum schema din figura 1, ne dăm seama că dacă tensiunea de intrare VIN creşte peste “tensiunea de străpungere” a diodei Zenner, aceasta va începe să conducă curent electric. În practică în cazul unei diode Zenner nu se foloseşte denumirea de “tensiune de străpungere” ci cea de tensiune Zenner.

Într-o altă ordine de idei, dioda Zenner D din figura 1 acţionează ca o supapă:

  • închisă – dacă VIN este mai mic decât tensiunea Zenner a acesteia. În acest caz dioda D nu are nici o influenţă în circuit iar VIN = VOUT.
  • deschisă – dacă VIN este mai mare decât tensiunea Zenner a acesteia. În acest caz, cu cât VIN creşte mai mult, cu atât dioda D se deschide şi ea mai mult împiedicând creşterea tensiunii de ieşire VOUT peste valoarea tensiunii Zenner.

În circuit mai observăm şi o rezistenţă R. Rolul acesteia este acela de a limita curentul care intră în diodă, pentru a evita distrugerea acesteia. Totodată, prezenţa rezistenţei R ridică o problemă: curentul de ieşire al stabilizatorului trece şi el prin această rezistenţă producând pierderi de energie sub forma de căldură. Puterea electrică pierdută pe o anumită componentă de circuit electric poate fi scrisă sub forma:

\dpi{100} \mathbf{P[W]=I^2\cdot R }

Din ecuaţia de mai sus ne dăm seama că dacă vrem să obţinem un curent de ieşire mare, pe rezistenţa R vom pierde foarte multă putere electrică. Prima soluţie care ne vine în gând este să reducem valoarea rezistenţei R, însă în acest caz în dioda Zenner vor apare curenţi mai mari care o pot distruge. Aşadar, nu putem alege la întâmplare nici valoarea lui R şi nici dioda Zenner D. Ca să fac lucrurile mai simple pentru tine am publicat aici un calculator care să te ajute să alegi uşor valorile componentelor din figura 1.

Figura 1. Stabilizator liniar paralel cu dioda zenner - Hobbytronica

Figura 1. Stabilizator liniar paralel cu diodă Zenner pentru tensiune pozitivă (stânga) şi pentru tensiune negativă (dreapta).

Am vorbit mai sus de noţiunea de tensiune de referinţă şi acum probabil te intrebi cine din figura 1 se ocupă de treaba asta. Răspunsul este: dioda Zenner D. Cu alte cuvinte, în acest caz tensiunea Zenner este tensiunea de referinţă a stabilizatorului nostru. Aşa că dacă vrei ca un stabilizator ca cel din figura 1 să-ţi dea la ieşire 12 [V], trebuie să foloseşti o diodă Zenner care are tensiunea Zenner de 12 [V].

Am spus că rolul rezistenţei R este acela de a evita ca prin dioda D să treacă un curent mai mare decât cel declarat de producător. În gol (când la ieşirea stabilizatorului nu este conectat nici un consumator) dioda D trebuie să înghită singură tot curentul care poate trece prin rezistenţa R. Asta înseamnă că valoarea maximă a curentului de ieşire nu poate fi mai mare decât curentul maxim admis prin dioda D (de către rezistenţa R). Ţinând cont de parametrii diodelor Zenner obişnuite, concluzia finală este că nu putem folosi schema din figura 1 decât pentru curenţi de ieşire de maxim câteva zeci de miliamperi [mA].

Şi totuşi ce ne facem dacă avem nevoie de un curent de ieşire mai mare de câteva zeci de [mA] ? Pentru a lărgi gama de curenţi de ieşire a schemei din figura 1 trebuie să adăugăm un tranzistor conectat în aşa fel încât să simuleze o diodă Zenner cu mult mai solidă (care poate înghiţi curenţi mult mai mari). Figura 2 prezintă un astfel de artificiu.

Figura 2. Stabilizator liniar paralel cu dioda Zenner si tranzistor - Hobbytronica

Figura 2. Stabilizator liniar paralel cu diodă Zenner şi tranzistor pentru tensiune pozitivă (stânga) şi pentru tensiune negativă (dreapta).

Se observă că dioda D este înseriată cu jonctiunea BE a tranzistorului T şi deci tot ce trece prin dioda D trece şi prin joncţiunea BE a tranzistorului T. Cum tranzistorul este capabil de amplificare în curent, înseamnă că atunci când prin dioda D va trece un curent (să-i zicem) ID , între colectorul şi emitorul tranzistorului T va trece un curent de β ori mai mare decat ID (β fiind factorul de amplificare în curent al tranzistorului T). Luând exemplul unei diode suporta maxim 10 [mA], dacă îi adăugăm un tranzistor cu β = 100 conectat aşa ca în figura 2, atunci când prin diodă vor trece ID = 10 [mA] prin tranzistor vor trece β x I= 10 [mA] x 100 = 1000 [mA] = 1[A]. În acest caz, curentul de ieşire al stabilizatorului nu va mai fi limitat la cei 10 [mA] amărâţi pe care îi suportă dioda D ci tocmai la 1000 [mA] = 1[A] ;). Detalii despre alegerea valorilor componetelor pentru schema din figura 2 vei găsi aici.

Adaugarea tranzistorului T mai are un mic efect:   tensiunea de referinta nu mai este data doar de tensiunea Zenner a diodei D pentru ca acum aceasta este inseriata cu jonctiunea BE a tranzistorului T. In acest caz tensiunea de referinta este data de suma dintre tensiunea Zenner a diodei D si tensiunea de deschidere a jonctiunii BE (circa 0,65V).

Acum apare întrebarea “cum anume reuşeşte tranzistorul T să menţină între colector şi emitor o tensiune VOUT egală cu tensiunea de referinţă” ? Pai,

  • dacă tranzistorul T s-ar deschide atât de tare încât VOUT să scadă sub tensiunea de referinţă, dioda D s-ar bloca şi astfel tranzistorul şi-ar fura singur semnalul de comandă (curentul de bază);
  • dacă tranzistorul T s-ar deschide prea puţin lăsând tensiunea de ieşire să crească mult peste tensiunea de referinţă, dioda D ar fi practic lăsată să înghită singură mai mult curent. Asta ar însemna de fapt creşterea curentului de baza al tranzistorului T. Având un curent de baza mai mare, tranzistorul T va înghiţi un curent mai mare şi astfel se va opune creşterii lui VOUT peste valoara tensiunii de referinţă.

Stabilizatorul liniar paralel oferă o modalitate simplă de obţinere a unei tensiuni stabilizate foarte precise şi nu necesită nici un fel de protecţie la suprasarcină. Are însă dezavantajul că are cel mai mic randament dintre toate tipurile de stabilizatoare. Mai mult, fie că avem sau nu consumatori conectaţi la VOUT, stabilizatorul paralel consumă aceeaşi cantitate de energie electrică. Pentru a ameliora aceasta ultimă problemă există varianta utilizării stabilizatorului liniar serie.

Stabilizatorul de tensiune serie

Denumirea de serie vine de la faptul că elementul activ este conectat în serie cu consumatorul de la ieşire. Schema stabilizatorului serie este prezentată în figura 3. Se observă că dioda Zenner D şi rezistenţa R formează tot o celulă de stabilizator paralel, care însă de această dată comandă un tranzistor conectat între VIN şi VOUT. Considerentele alegerii rezistenţei R şi diodei Zenner D sunt aceleaşi ca şi la stabilizatorul paralel: rezistenţa R trebuie să limiteze curentul prin dioda Zenner D sub valoarea maximă declarată de producător. Tranzistorul T este montat într-o conexiune de tip repetor pe emitor, adică oferă pe emitor aproximativ aceeaşi tensiune ca cea primită pe bază. Am spus aproximativ deoarece din tensiunea primită pe bază se mai pierd circa 0,65 [V] pe joncţiunea BE a tranzistorului T. Cu alte cuvinte, în cazul stabilizatorului serie:

  • tensiunea de referinţă este egală cu tensiunea Zenner a diodei D;
  • tensiunea de ieşire VOUT este mai mică cu circa 0,65 V decât tensiunea de referinţă.

Figura 3. Stabilizator serie cu tranzistor si dioda Zenner - Hobbytronica

Figura 3. Stabilizator liniar serie pentru tensiune pozitivă (stânga) şi pentru tensiune negativă (dreapta).

În comparaţie cu stabilizatorul paralel, stabilizatorul serie are marele avantaj de a avea pierderile de energie electrică proporţionale cu curentul consumat la ieşire. Principalul dezavantaj este faptul că nu poate tolera suprasarcini fără distrugerea elementului activ (a tranzistorului T din figura 3). De aceea, dacă există riscul apariţiei unui scurtcircuit la ieşire sau măcar a unei suprasarcini, se impune utilizarea unui circuit de protecţie cum ar fi de exemplu cel din figura 4.

Figura 7. Stabilizator liniar serie cu protectie la suprasarcina - Hobbytronica

Figura 4. Protecţie la suprasarcină pentru stabilizatoarele liniare serie. În stânga este prezentată varianta pentru tensiune pozitivă iar în dreapta cea pentru tensiune negativă.

Protecţia include un “senzor de curent” în persoana rezistenţei R2 care este conectată între baza şi emitorul tranzistorului T2. Dacă valoarea curentului de ieşire este foarte mică, pe rezistenţa R2 va apare o tensiune mai mică decat 0,65 [V], motiv pentru care tranzistorul T2 nu va influenţa cu nimic funcţionarea stabilizatorului nostru. Când însă curentul de ieşire creşte foarte mult (de exemplu în cazul unui scurtcircuit pe ieşire) tensiunea pe rezistenţa R2 creşte peste 0,65 [V] comandând deschiderea lui T2 care imediat începe să scurtcircuiteze baza şi emitorul lui T1. În acest mod, pentru curenţi anormal de mari, T2 blochează funcţionarea lui T1 salvându-l astfel de la o distrugere iminentă. Bineînţeles, valoarea curentului la care această protecţie intră în funcţiune depinde de valoarea lui R2. Calculatorul on-line publicat aici te va ajuta şi în privinta calculelor implicate de proiectarea unui stabilizator serie cu protecţie la suprasarcină.

Stabilizatoare de tensiune liniare integrate

O alternativă foarte des întalnită la stabilizatoarele cu componente discrete prezentate mai sus sunt stabilizatoarele liniare integrate. Acestea reunesc într-o singură capsula toate componentele necesare unui stabilizator liniar performant din toate punctele de vedere. Cel mai întâlnit exemplu este cel al stabilizatoarelor integrate din seria 78XX şi 79XX care arată aşa ca în figura 5. Primele două cifre din codul stabilizatorului reprezintă tipul tensiunii stabilizate (78XX este destinat tensiunilor pozitive, iar 79XX celor negative. Ultimele două cifre reprezintă valoarea tensiunii stabilizate. De exemplu, 7805 este un stabilizator de tensiune pozitivă care oferă la ieşire 5 [V], iar 7912 este un stabilizator de tensiune negativă care oferă la ieşire -12 [V].

Figura 4. Capsula stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 78XX si 79XX - Hobbytronica

Figura 5. Capsula stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 78XX şi 79XX.

Pentru a înţelege mai bine cum se folosesc aceste stabilizatoare integrate aruncă o privire peste figurile 6 şi 7. Pinii 12 şi 3 indicaţi în aceste figuri corespund pinilor indicaţi în figura 5. Datasheet-ul stabilizatoarelor din seriile 78XX si 79XX spun că acestea includ protecţie la suprasarcină şi la supraîncălzire. Nu am testat personal aşa ca eu unul nu pot decât să sper că această informaţie este 100% adevarată :).

Figura 5. Schema de lucru a stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 78XX - Hobbytronica

Figura 6. Schema de utilizare a stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 78XX.

Figura 6. Schema de lucru a stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 79XX. - Hobbytronica

Figura 7. Schema de utilizare a stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 79XX.

Stabilizatoarele de tensiune liniare permit obţinerea unor tensiuni de ieşire foarte stabile şi de valori foarte precise însă au un randament foarte prost: doar o mică parte din energia consumată la intrare este oferită la ieşire. Din acest motiv stabilizatoarele liniare, fie ele serie sau paralel, sunt folosite pentru a manipula puteri care rar depăşesc câţiva W. Pentru puteri mai mari dificultăţile şi costurile suplimentare implicate de răcirea elementelor active (a tranzistoarelor) impun utilizarea unor stabilizatoare de tensiune cu randament mai crescut. Despre acestea însă voi vorbi într-un articol viitor.

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian

16 thoughts on “Stabilizatoare de tensiune liniare.

  1. foarte utile aceste informatii chiar si pentru (dar mai ales pentru ) radioamatori “ma refer la curentul alternativ.Multumesc

    • Scheme de puteri asa de mari sunt foarte rare asa ca cel mai probabil ar trebui proiectata una special pentru cazul tau.
      Totusi, da mai multe detalii despre aplicatia ta pentru ca 180Vcc/10A e posibil sa fie mult mai mult decat ai nevoie.

      • Este vorba de un redresor trifazat care incarca o baterie de acumulatori formata din 80 elementi x 2.23Vcc;baterie care functineaza in tampon cu redresorul .Acestia asigura alimentarea permanenta a unui invertor ,invertor ce asigura alimentarea Fara intreruperi a unor installation de siguranta.Problems e CA redresorul este de generatie mai veche si in momentul cand scade consumul datorita incarcarii baterie ,tensiunea creste prea mult (190Vcc); ceea ce duce la sulftarea acumulatorilor.

        • Suna a ceva monstruos. Daca variatia tensiunii de alimentare nu e mai mare de 10-15V eu as incerca si un stabilizator de tensiune liniar. In caz contrar, as merge pe ceva in comutatie.

          Oricum, sunt foarte slabe sanse sa gasesti pe net o schema pentru o putere atat de mare. Alternativa este sa proiectezi una. Daca ai nevoie, in masura timpului liber disponibil (care nu e prea mare) te pot ajuta.

          • Multumesc frumos !Am sa incerc sa ma gandesc la o schema ,sa iti trimit si sa imi spui parerea.Inca o data merci pentru timpul acordat.

  2. Salut. Sunt incepator si vreau sa iti spun ca imi place foarte mult acest site deoarece are informatiile necesare pentru un inceput de electronica, felicitari si continua tot asa.
    Sper sa colaboram cat mai mult si sa ne intelegem bine pe viitor!!!!

  3. Informatiile pe care le prezinti au f.mici erori dar sunt de 1000 de ori mai digerabile , mai pertinente , si mai practice decat tot ce am invatat la fizica.
    Respect ceea ce faci.
    Cristi

      • Te rog sa urmaresti schemele din figura 2. Unei diode Zenner, ca sa intre in zona de stabilizare ii trebuie un curend in jur de 20mA () sau 100 mA. Acest curent este acelasi cu curentul care circula prin baza tranzistoarelor, Gandeste-te ce se intampla cu curentul de colector al tranzistoarelor respective, cam la ce valoare ajunge el.

  4. salut. Am gasit pe o placa electronica de la o centrala ariston doua astfel de stabilizatoare unul de 5v si unul de 12 v cu radiator. cel de 5v avea ca la tine in schema cate un condensator in paralel doar ca unul avea cond electrolitice si unul avea unele mici albastre (ceramice sau cu tantal cred)Intrebarea mea este urmatoarea:
    are vreo logica alegerea condensatoarelor cand le punem in circuitul stabilizatorului,adica mai exact cand se pun electrolitice si cand altfel?

    • De regula, inainte si dupa un stabilizator este bine sa filtrezi tensiunile cu niste condensatori nepolarizati (de regula de 100nF). Exista foarte multe surse de semnale parazite iar acesti condensatori reduc propagarea acestora in semnalul de iesire al stabilizatorului. Daca din stabilizator alimentezi un bec, pe acesta nu-l va deranja ca ii dai o tensiune de alimentare foarte bine filtrata, insa in cazul in care alimentezi un amplificator de microfon s-ar putea sa te deranjeze mici baraiturilsi fluieraturi care pot apare in lipsa acelor condensatori de 100nF.

      Pe langa aceasta schemele mai sofisticate de stabilizatoare de tensiune (cum sunt cele din 78XX si 79XX) pot chiar sa nu functioneze deloc corespunzator fara acesti condensatori.

      Asa ca primele doua concluzii ar fi:
      – daca folosesti un stabilizator simplu (ca cei din figurile 1-4) ca sa alimentezi consumatori nepretentiozi (bec-uri, LED-uri, rezistente de putere etc.), nu e nevoie sa pui condensatorii aia nepolarizati;
      – in toate celelalte cazuri, recomand sa nu uiti niciodata sa adaugi acei condensatori nepolarizati.

      In ceea ce priveste condensatorii electrolitici, acestia este bine sa-i pui inainte de stabilizator mai ales cand e vorba de curenti de iesire mari (peste 0.5 A) si tensiuni mici (sub 10-12 V).

  5. Buna ziua, sunt incepator in ale electronocii si am primit astazi primul newsleter. Am inteles majoritatea informatiilor si sper sa colaboram bine pe viitor. Multumesc si succes!

Leave a Comment