Regulatorul liniar de tensiune=>Proiect didactic

 Salutari tuturor.

Acest articol este primul dintr-o serie dedicata regulatorului liniar. Tema proiectului este descrierea detaliata a unor notiuni elementare legate de acest subiect, in stilul propriu si ma voi axa aici 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 nu asta este scopul, in schimb acest articol se vrea a fi unul mai mult didactic care sa explice chestiuni fundamentale, de la care se poate pleca ulterior in proiectarea propriei scheme de regulator. 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.