Semiconductor contiene un generatore di tensione di riferimento e

Circuiti e sistemi di potenza
795
Semiconductor contiene un generatore di tensione di riferimento e un amplificatore del segnale di errore, come indicato nella figura 18.16. L'aggiunta del
transistore esterno 2N3740 consente al circuito di funzionare fino a 200 mA,
mentre la tensione d'uscita è fissata dai valori di Rl e R2. Una frazione della
tensione d'uscita viene confrontata dall'amplificatore di errore con una tensione di rifèrimento interna pari a 1,8 V. Qualunque errore viene amplificato e
utilizzato per pilotare il transistore di potenza 2N3740, che rappresenta l'elemento
di controllo. La resistenzaRs provvede a limitare la corrente, in quanto la caduta
di tensione ai suoi capi corrisponde, all'interno del circuito integrato, alla tensione tra la base e l'emettitore di un transistore. Quando il transistore è in conduzione, esso sottrae al transistore 2N3740 la corrente di controllo, e l'uscita
del regolatore presenta quindi una caratteristica a corrente costante; cioè, la
tensione d'uscita tende a zero quando la corrente di carico supera un valore
prefissato. Quando si impiegano elementi di controllo esterni occorre inserire il
condensatore al tantalio Cl, per eliminare le oscillazioni e per rendere bassa
l'impedenza d'uscita alle alte frequenze. Il condensatore esterno C2 serve a compensare l'amplificatore di errore interno ed evitare in tal modo l'instabilità.
La tensione d'uscita del dispositivo LM 105 è regolabile da 4,5 V a lO V,
e con l'aggiunta di un transistore serie di controllo esterno si possono avere
correnti superiori a lO A. Le caratteristiche del regolatore sono reiezione dell' ondulazione pari a 0,01 % e regolazione a pieno carico con limitazione di corrente
pari a O,I %.
..
;~
Circuiti e sistemi di potenza
793
ha lo scopo di permettere il funzionamento corretto a bassi valori della corrente
di carico.
Un alimentatore deve anche essere protetto da eventuali danneggiamenti
dovuti ai sovraccarichi. Nei circuiti più semplici si ottiene una certa protezione
impiegando un fusibile in serie a r o~ In apparecchiature più complesse il transistore serie è tale da permettere il funzionamento a qualsiasi tensione da zero
alla .tensione d'uscita massima. In caso di sovraccarico o di corto circuito il
circuito della figura 18.21 può dare una buona protezione. I diodi DI e D2 non
conducono finché la caduta di tensione sul resistore Rs non supera la tensione
di soglia V'V~ Quindi, in caso di corto circuito, la corrente ls può aumentare
soltanto fino al valore limite
I s =~rl+V"2-V~
Rs
.
~o
-Is
IL
+
Vi
-RL
Dall'amplificatore
Q2
Figura 18.21 Schema per la protezione contro i sovraccarichi dovuti a corto circuito.
In condizioni di corto circuito la corrente di carico varrebbe approssimativamente
+ V"l +
I ,-..I
~
L-Rs
V,,2- VBBI
Rs
.
[ 18.60]
Bisogna infine prendere in considerazione la variazione della tensione di
uscita con la temperatura. Dall'equazione [18.54] vediamo che si ha, all'incirca,
~,-..I
L\T
~+~
(
-L\T
L\T
)( I +~R2) .
[18.61]
Si possono ottenere valori di Ll~/ LlT molto bassi compensando il coefficiente di temperatura del diodo di riferimento DI con quello del transistore Q2.
Gli amplificatori di riferimento GeneraI Electric RA-I, RA-2 e RA-3 sono stati
appositamente progettati per questo scopo. Si tratta di circuiti integrati costituiti da un diodo di riferimento e da un transistore n-p-n in un unico contenitore.
I coefficienti di temperatura tipici per q~esti dispositivi sono dell'ordine di
0,002 %/oc.
'.,
\
Circuiti e sistemi di potenza
791
Se per Ql si sceglie il transistore qi potenza al silicio 2N1722 prodotto dalla T
Itns ruments, SI mIsurano I seguentI parametri per IOl = 1 A:
exas
hPEI= 125,
h/el = 100,
hiel = 20.0.,
si ha quindi
IBI = ~ + Il +~
= ~~O + lO +~
hlEl
~ 8 mA .
125
La corre~te I sul resistore R3 vale 1= IBI + 102= 8 + 10 = 18 mA. Il valore di R3
che corrIsponde a Vi = 45 V e a IL = 1 A, è dato da
R3 = Vi-(VBEl+Vo)
I
50-25,7
= -=
18 X 10-3
1350.0..
.Il circuito completo è disegnato nella figura 18.19.
(b) Applicando l'equazione [18.58] si ottiene
S = ~
x ?~~ 800 + (2~1)(12) v
1,57
(200)(1350)
-0,022 .
(c) La resistenza di uscita si ricava applicando le equazioni [18.58] e [18.59],
cioè
1
Gm= ---=
SVR3
1
= O 033
0,022 x 1350
'
,
lO + (1350 + 20)/101
Ro = 1-+(0,033)0350-+10)
= 0,51 .0..
(d) La
temperatura,
variazione
si ottiene
complessiva
applicando
della
tensione
l'equazione
di uscita,
supponendo
costante
la
[18.50]:
L\vo = SvL\vi + RoL\IL = 0,022 xl0 + 0,51 x 1 = 0,22 + 0,51 = Ò,13 V.
Il circuito illustrato in questo esempio è stato realizzato e provato in laboratorio;
i risultati ottenuti sono in ecceIIente accordo con queIIi calcolati.
Molto spesso è necessario realizzare un alimentatore con un valore di Sv
molto più basso. Dall'equazione [18.58] si vede che Sv migliora aumentando Ra.
Poiché Ra ~ (Vi- ~)/I, si può aumentare Ra facendo diminuire I. La corrente l
può essere diminuita impiegando una configurazione Darlington (fig. 8.29) al
posto di Ql. Per migliorare ulteriormente Sv si può sostituire Ra con un generatore di corrente costante (in modo che Ra -+ 00) come si vede nella figura 18.20
(vedi anche § 15.3). Per questo circuito, che comprende due transistori inseriti
nella configurazione Darlington, si sono ottenuti i valori seguenti: Sv = 0,00014
e Ro = 0,1 .o. [9]. Il generatore di corrente nella figura 18.20 è spessò chiamato
transistore preregolatore. Vi sono altri tipi di preregolatori (problema 18.28) [9].
Nello schema della figura 18.20 si è aggiunto il condensatore da 0,01 !LP per
evitare gli inneschi ad alta frequenza.
I
L~
Circuiti e sistemi di potenza
789
ID
111
I
.,.
+
L
RD
}
AVi:=: Ui
---+
RI
RL
L\~ = Uo
R2
~
Figura 18.18 ,Analisi di un alimentator~ stabilizzato con regolatore in serie.
corrente L\1 = i SU R3 è data da
i=
v.-v
~
v.
o~-.!-.
Rg
[18.55]
Rg
Essendo fissa RL, affinché la tensione d'uscita rimanga costante occorre che IL,
e qwndi lBl' rimangano costanti. Quando 181 è costante, pertanto, si ha
i = L\lc2 = iC2.[18.56]
Nel problema 18.23 si ricava che, per piccoli valori di Rg, ic2 = Gmv()dove
R2
Gm = h'e2R+R'
1
) + h.~62 +( 1 + h162) R z
2 ( 'R1 II R2
1
e Rz,è la resistenza dinamica del diodo Zener. Utilizzando
[18.55] alla [18.57], supponendo vi~ iC2Rg, si ricava
S
v =
Vo
I.
Vi
Gm Rg
-=
[18.57]
le equazioni dal1a
[18.58]
Nel problema 18.24 si ricava l'espressione del1a resistenza d'uscita
cuito riportato nella figura 18.18, e cioè
Ro del. cir-
R ,-..Jr o + (Rg + hieJ/(l + h~~
(/-
I.
+
G
(
m
R
+'r
g
)
,
[ 18 59
.
]
()
dove Gm:;:::iC2/Voè stato ottenuto dall'equazione [18.57]. Nel1'esempio che segue
viene descritto un procedimento per il progetto.
Esempio. (a) Progettare un alimentatore stabilizzato con regolazione in serie
in modo da ottenere una tensione di uscita nominale di 25 V e una corrente di
carico IL ~ 1 A. L'alimentatore non stabilizzato ha le seguenti caratteristiche:
Vi = 50 :I: 5 V ero = lO Q. (b) Calcolare il fattore di stabilità Sy. (c) Calcolare
la resistenza di uscita R". (d) Calcolare la variazione ~ V" della tensione di uscita
,
Circuiti e sistemi di potenza
787
Dall'equazione [18.47] si ricava
V
0=
V;
Av
R 1 +,8Av
.[18.49]
La tensione d'uscita Vo può essere cambiata variando il coefficiente di reazione ,8. L'inseguitore di emettitore Q1 fornisce l'amplificazione di corrente, in
quanto la corrente che si può ottenere dall'amplificatore Av di solito non è
sufficiente. La tensione di alimentazione richiesta dall'amplificatore di errore Av
è ricavata dall'alimentatore non stabilizzato.
Stabilizzazione. Poiché la tensione di uscita continua Vo dipende dalla tensione continua Vi d'ingresso non stabilizzata, dalla corrente di carico IL e dalla
temperatura T, la variazione L\Vo della tensione d'uscita di un alimentatore può
essere espressa da
Av
avo A
A
A
L.1
o = ~L.1Vi
+ avo
aI;: L.1IL
+ avo
8f L.1T
oppure
ilVo = SvilVi + RoilIL + STilT.
[18.50]
I tre coefficienti sono definiti come
Sv= ~V o I 6.ZL=O ,
,fattoredi stabilità:
[18.51]
L.1 i i.6.T=O
Ro = ~~I o I 6.Vt=O
resistenza di uscita:
\
,
[18.52]
\
L.1 L!6.T=O
..
coefficiente di temperatura:
L\V I
ST = --&;}I 6.V.=o.:
[18.53]
i 6.ZL=O
Minore è il valore dei tre coefficienti, migliore è la stabilizzazione dell'alimentatore. La variazione ilVi può esseredovuta alla variazione della tensione
alternata di rete o a un filtraggio insufficiente.
18.10 STABILIZZAZIONE
DI TENSIONE IN SERIE
La ragione fisica del miglioramento della stabilizzazione che si ottiene con il
circuito della figura 18.16 consiste nel fatto che la maggior parte dell'aumento
della tensione d'ingresso si localizza sul transistore di controllo, cosicché la
tensione d'uscita tende a rimanere costante. Se aumenta la tensione d'ingresso,
anche la tensione d'uscita deve aumentare (ma in misura molto minore), in
quanto è questa variazione che serve a polarizzare il transistore di controllo
in modo che la corrente che lo attraversa risulti minore. Questo effetto di stabilizzazione si può dimostrare facendo riferimento alla figura 18.17, dove il transistore Q2 è l'amplificatore di confronto indicato con Av nella figura 18.I 6 e
i,
,
,i8ilÌilliiliif,.
d'il
+
.~~IIII
~
-