elemente de proiectare pentru ......capitolul 8 elemente de proiectare pentru stabilizatoare de...

Capitolul 8 Elemente de proiectare pentru stabilizatoare de tensiune continuă

179

CAPITOLUL 8

ELEMENTE DE PROIECTARE PENTRU

STABILIZATOARELE DE TENSIUNE CONTINUǍ

8.1. Probleme generale

Capitolul cuprinde un exerciţiu practic care, urmat, va contribui la consolidarea

elementelor teoretice privind redresoarele, stabilizatoarele liniare de tensiune continuă

şi amplificatoarele cu tranzistoare.

Este un exemplu de proiectare a unui circuit electronic liniar dintre cele mai

răspândite, şi anume stabilizatorul liniar de tensiune, în două variante:

-stabilizator elementar cu diodă Zener şi tranzistor;

-stabilizator cu reacţie şi element de reglaj serie cu tranzistoare.

Proiectarea cuprinde toate elementele unui asemenea sistem:

1. Transformatorul de reţea;

2. Redresorul propriu-zis;

3. Filtrul;

4. Stabilizatorul în cele două variante amintite mai sus;

5. Calculul termic;

6. Verificarea rezultatelor prin simulare cu programul PSpice.

Se porneşte de la presupunerea că se doreşte o sursă dubla de tensiune, asa cum

este cazul în foarte multe aplicaţii.

Pentru calculul transformatoarului s-a apelat la o variantă simplificata care face

apel la câteva nomograme standard, prezentate într-o anexa a capitolului, pentru

alegerea tolei şi a datelor infaşurărilor. Sunt precizate datele principale de pornire, în

cazul de faţă acestea fiind tensiunea de ieşire a stabilizatorului şi curentul maxim. Nu

sunt introduse şi alte mărimi, cum ar fi factorul de stabilizare şi rezistenţa internă a

stabilizatorului, din considerente practice. Aceste mărimi se pot aprecia după

proiectare şi este mai uşor sa se reia proiectarea pe exemplul acesta relativ simplu

decât sa se introducă mărimi care complică procedura de proiectare.

Alegerea schemei redresorului face apel la cunostinţele din capitolul 2 dedicat

redresoarelor. Alegerea diodelor se face prin raportare la mărimile limită principale,

curentul mediu redresat şi tensiunea maximă inversă, dar şi la valoarea curentului

repetitiv de vârf. Se va face şi un calcul al rezistenţei interne a transformatorului.

Pentru stabilizatorul elementar, preferat dacă curentul maxim este de ordinul

sute de miliamperi, proiectarea este foarte simplă. Dacă se alege schema cu reacţie

atunci intervin calcule asupra elementelor mai sensibile cum sunt amplificatorul de

eroare sau elementul de reglaj serie. Pentru acesta din urmă este prevăzut inclusiv

calculul termic şi determinarea dimensiunilor radiatorului.

În sfârşit, se prezintă şi un îndrumar elementar pentru utilizarea unui program

de simulare PSpice în varianta Microsim 8 Eval cu care se poate verifica rapid

corectitudinea calculelor.

ELECTRONICĂ ANALOGICĂ

180

8.2. Calculul transformatorului de reţea

Schema bloc a stabilizatorului dublu este prezentata în figura 8.1:

Fig. 8.1. Schema bloc a stabilizatorului

Date de pornire:

U1 – tensiunea de ieşire a stabilizatorului 1

I1 – curentul maxim de ieşire a stabilizatorului 1



Alte mărimi:

- P – puterea transformatorului

- Ip – curentul în primar

- n – numărul de spire al primarului

- Ptot1 – puterea totală în sectiunea 1

- n1 - numărul de spire al secundarului 1

- Is1 – curentul în secundarul 1

- Us1 – tensiunea în secundarul 1

- UR1 – tensiunea redresorului 1

- Ptot2 – puterea totală în sectiunea 2

- n2 - numărul de spire al secundarului 2

- Is2– curentul în secundarul 2

- Us2 – tensiunea în secundarul 2

- UR2 – tensiunea redresorului 2


181

Calculul se va face în 2 paşi.

Primul, se determina mărimile necesare pentru a începe calculul propriu-zis al

transformatorului:

P – puterea transformatorului

Us1 – tensiunea în secundarul 1

Us2 – tensiunea în secundarul 2

Al doilea, se calculeaza transformatorul, adică se determină:

- numărul de spire şi grosimea conductoarelor pentru toate înfăşurările

- dimensiunile miezului de fier

- rezistenţele înfăşurărilor transformatorului

8.2.1. Determinarea mărimilor de pornire pentru calculul

transformatorului

1.1. Se determina puterea utilă maximă în sarcină:

Pu1 = U1I1 (8.1)

1.2. Se calculează puterea totală în secundar din relaţia:

Ptot1 = Pu1 + (0,3 … 0,5)Ptot1 (8.2)

Obs. Coeficientul (0,3 … 0,5) reprezintă procentul evaluat al pierderilor în

redresor şi stabilizator. El este mic pentru tensiuni de ieşire mari şi mare pentru

tensiuni de ieşire mici.

Plaja de tensiuni de ieşire este 5....45V. Se va considera dependenţa liniară.

1.3. Se evaluează tensiunea efectivă din secundar cu relaţia:

Us1 = (1,1 … 1,5)U1 (8.3)

Obs. Coeficientul (1,1 … 1,5) reprezinta o corecţie a tensiunii din secundar

funcţie de tensiunea de ieşire şi este mic pentru tensiuni de ieşire mari şi mare pentru

tensiuni de ieşire mici. Plaja de tensiuni de ieşire este 5....45V. Se va considera

dependenţa liniară.

Relaţiile (8.1)... (8.3) se vor relua, schimbând 1 cu 2 şi se calculează Ptot2 şi Us2.

1.4. Se calculează puterea totală a transformatorului în primar ţinând cont şi de

randamentul transformatorului, considerat egal cu 0,9:

P = (Ptot1 + Ptot2)/0,9 (8.4)

8.2.2. Calculul simplificat al transformatorului

1.5. Din diagrama 1 (anexa capitolului 8) se determină:

Sm – suprafata miezului de fier

N0 – numărul de spire pe volt în primar

N0II – numărul de spire pe volt în secundar


182

1.6. Se determină numărul de spire al fiecărei înfăşurări (n - primar, n1 -

secundar 1 şi n2 - secundar 2), stiind că este produsul tensiunii înfăşurării cu numărul

de spire pe volt corespunzător.

1.7. Se calculează curenţii în înfăşurările transformatorului:

Ip = P/220

Is1 = Ptot1/ Us1 (8.5)

Is2 = Ptot2/ Us2

1.8. Se consideră densitatea de curent de:

J = 2,5 A/mm2 (8.6)

si se alege din tabelul 1 (anexa capitolului 8) diametrul sârmei pentru fiecare

înfăşurare.

1.9. Din acelaşi tabel 1 se calculează suprafaţa ocupată de bobinajul

înfăşurărilor, considerând şi izolaţie între straturi.

Fig. 8.2. Geometria pachetului de tole

1.10. Din tabelul 2 (anexa capitolului 8) se alege tipul de tolă conform

suprafeţei înfăşurărilor calculate şi suprafeţei ferestrei Sf a tolei şi se găsesc datele

geometrice ale tolei (figura 8.2).

1.11. Se calculează grosimea pachetului de tole, c:

c = Sm/2a (8.7)

8.2.3. Calculul rezistenţelor înfăşurărilor transformatorului

1.12. Pentru a determina rezistenţele înfăşurărilor se calculeaza întâi lungimea

medie a spirei pentru fiecare înfăşurare, primar, secundarul 1 şi secundarul 2, formula

generală fiind:

Lmsp = 2(2a+c) + 2πg (8.8)

unde g va fi distanta medie faţă de miez a înfăşurării primare (care devine g1 pentru

secundarul 1 şi g2 pentru secundarul 2 (figura 8.3)

1.13. Se calculeaza lungimea totală a fiecărei înfăşurări ca produsul dintre

lungimea medie a spirei şi numărul de spire pentru fiecare înfăşurare, formula generală

fiind:

L = n Lmsp (8.9)


183

1.14. Se calculează rezistenta electrica a fiecărei înfăşurări, Rpr, cu ajutorul

tabelului 2 de unde se ia rezistenţa/metru corespunzătoare fiecărei înfăşurări, formula

generală fiind:

R = L ρl (8.10) ]

1.15. Se calculează rezistenţa echivalentă a transformatorului în secundarul 1:

Rtr1 = Rsec1 + (n1/n)2 Rpr (8.11)

şi similar în secundarul 2.

Fig. 8.3. Poziţia faţă de miez a înfăşurărilor transformatorului.

8.3. Calculul redresorului şi filtrului C

Se prezintă mersul de calcul pentru redresorul 1. Calculul redresorului 2 este

foarte asemănător iar diferenţele vor fi precizate.

Schema bloc a redresorului 1, unde s-au evidenţiat condensatorul de filtraj,

curentul absorbit şi căderea de tensiune pe stabilizator, este prezentata în figura 8. 4:

Fig. 8.4. Schema bloc a redresorului 1.

In figura 8.5 este prezentată evoluţia în timp, simplificată, a tensiunilor

redresorului.


184

Fig. 8.5. Tensiunile redresorului 1.

Semnificaţia mărimilor din figura 8.5:

- uR1ff – tensiunea redresorului 1 fără filtru

- us1 – tensiunea redresorului 1 în gol, fără filtru

- uC1 – tensiunea pe condensatorul 1

- UR1 – tensiunea medie a redresorului 1 cu filtru

- UR1M – tensiunea maximă a redresorului 1 (se presupune egală cu UC1M)

- Δ UC1 = UC1M – UC1m – variaţia tensiunii pe condensatorul 1

- Ust1m – diferenţa minimă între tensiunea pe condensator şi tensiunea

stabilizatorului

- tC1 – timpul de cădere a tensiunii pe condensator

- Δ t1 - timpul de creştere a tensiunii pe condensator

Date de pornire (pentru redresorul 1, pentru redresorul 2 sunt similare):

1. U1 – tensiunea de ieşire a stabilizatorului 1;

2. I1 – curentul maxim de ieşire al stabilizatorului 1;

3. Us1 – tensiunea în secundarul transformatorului, înfăşurarea 1;

4. Rtr1 - rezistenţa echivalentă a transformatorului la secundarul 1.

Alte mărimi:

- Ist1 – curentul absorbit de stabilizatorul 1

- RR1 – rezistenţa echivalentă a sarcinii redresorului

- Rd1 - rezistenţa dinamică a diodelor

- C1 – valoarea condensatorului de filtraj

- Ust1 – caderea de tensiune pe stabilizatorul 1


185

Obiectivele proiectarii:

1. Alegerea schemei redresorului

2. Determinarea valorii condensatorului de filtraj

3. Alegerea diodelor

8.3.1. Alegerea schemei redresorului

2.1. Se va alege schema de redresor monoalternanţă pentru stabilizatorul 1

(pentru stabilizatorul 2 se va alege redresor punte)

8.3.2. Alegerea diodelor şi calculul rezistenţei dinamice a acestora

2.2. Se evalueaza curentul mediu al redresorului 1:

IR1 = I1 + Ist1 = I1 + (0,02….0,15)A (Ist1 e proportional cu I1) (8.12)

Plaja de curenţi este 0,2....5A iar dependenţa este liniară.

2.3. Se alege dioda redresoare (pentru redresorul 2 se aleg patru diode identice

sau o punte redresoare) funcţie de curentul mediu şi tensiunea maximă admisibilă.

Curentul mediu prin diodă, notat aici ID1 este egal cu IR1 (la redresorul 2 este de

două ori mai mic, ID2 = IR2/2)

Tensiunea maximă (inversă) pe diodă este egala cu dublul valorii de vârf a

tensiunii Us1(la redresorul 2 este doar valoarea de vârf a tensiunii Us2)

Pentru asta se caută în cataloage de componente electronice sau în foile de

catalog (data sheets) ale marilor producători dioda potrivita. Se aleg diode redresoare

(rectify – redresare). Nu se aleg diode Schottky, diode de comutaţie, diode rapide sau

diode de frecvenţă ridicată.

2.4. Se calculează rezistenţa dinamică a diodei, Rd1. Se va utiliza graficul

curent-tensiune în polarizare directă din foile de catalog. Calculul grafic se face după

modelul din figura 8.6. Variaţia Δu se va alege 0,1-0,2V în jurul punctului

corespunzător UD1.

Fig. 8.6. Calcul Rd.


186

Extrasele semnificative din foile de catalog vor fi ataşate la proiect iar pe

acestea vor fi marcate mărimile corespunzătoare diodelor alese şi modul de calcul al

rezistenţei dinamice

8.3.3. Determinarea valorii condensatorului de filtraj

2.5. Se evaluează valoarea minimă a tensiunii pe condensator, UC1m

UC1m = U1 + Ust1m = U1 + (5….10) V, (8.13)

(Ust1m este proporţională cu U1).

2.6. Din relaţiile:

UR1 = (UC1M + UC1m) / 2

RR1 = UR1 / IR1 (8.14)

UC1M = (Us1M – UD) RR1/( RR1+ Rtr1+ Rd1),

se calculează UC1M şi RR1.

Obs.: - tensiunea UD, tensiunea sursei echivalente a diodei, se alege 0,7 la

redresorul monoalternanţă şi 1,4 la punte;

- la redresorul punte Rd2 calculată grafic se multiplică cu 2.

2.7. Se calculează valoarea condensatorului de filtraj C1 din relaţia:

Δ UC1= (UC1M – UC1m) = UC1M T /( RR1 C1) (8.15)

unde T este perioada de repetiţie a variaţiei tensiunii pe condensator.

8.4. Calculul stabilizatorului 1

Schema stabilizatorului 1 este prezentată în figura 8.7.

Fig. 8.7. Schema stabilizatorului 1, cu diodă zener şi tranzistor

Date de pornire pentru stabilizatorul 1:



UC1m – tensiunea minimă pe condensator

Us1 – tensiunea de ieşire a transformatorului, înfăşurarea 1


187


-Alegerea elementelor semiconductoare;

-Determinarea valorii elementelor pasive din schemă.

8.4.1. Alegerea elementelor semiconductoare

3.1. Se alege tranzistorul T din condiţiile:

-curentul maxim ICM > I1;

-tensiunea maximă UCB0 > Us1M

Obs: Se aleg tranzistoare de uz general (general purpose), nu de comutaţie

(switching), de frecvenţă înaltă (high frequency) sau de înaltă tensiune (high voltage)

3.2. Se calculează curentul de bază maxim al tranzistorul T:

IBM = I1/βm (8.16)

unde βm este factorul de amplificare minim al tranzistorului.

3.3. Se evaluează tensiunea diodei Zener:

UZ = U1 + 0,7V (8.17)

3.4. Se calculează puterea disipată maximă pe dioda Zener în ipoteza unui

curent maxim cu 50% mai mare decât cel maxim necesar pentru comanda

tranzistorului:

PDZM = 1,5 UZ IBM (8.18)

3.5. Se alege dioda Zener din condiţiile:

-tensiunea Zener U = UZ

-puterea disipată PD> PDZM

8.4.2. Determinarea valorii R

3.5. Se alege rezistenţa de balast R din condiţia ca în cel mai defavorabil caz să

asigure atât curentul de comandă maxim pentru tranzistor cât şi un curent de polarizare

minim pentru dioda Zener:

Cazul cel mai defavorabil este atunci când tensiunea redresorului este minimă

(UC1m), iar curentul de bază al tranzistorului maxim, IBM. Curentul prin diodă este

minim şi trebuie să fie mai mare decât curentul minim prin diodă corespunzător zonei

de stabilizare a diodei IZm Daca IZm nu este precizat sau nu se poate deduce din grafice,

se va alege IZm = 1 mA

Rezultă:

URm = UC1m – UZ > R (IBM + IZm) (8.19)

relaţie care dă la limită valoarea maximă pentru R, care se va alege cu 10-20% mai

mică decât rezultatul calculului.

3.6. Se verifică dacă în conditiile cele mai nefavorabile (tensiune maximă la

intrare, Us1M şi curent zero de ieşire) puterea pe diodă este sub valoarea aleasă (PD).

UZ (Us1M - UZ) / R < PD (8.20)

În caz contrar se alege o diodă de putere mai mare.


188

8.5. Calculul stabilizatorului 2

Schema stabilizatorului 2 este prezentată în figura 8.8.

Fig. 8.8. Schema stabilizatorului 2 de tip serie cu amplificator de eroare.

Date de pornire pentru stabilizatorul 2:



UC2m – trnsiunea minimă pe condensator

Us2 – tensiunea de ieşire a transformatorului, înfăşurarea 2


-Alegerea elementelor semiconductoare;

-Determinarea valorii elementelor pasive din schemă.

8.5.1. Alegerea tranzistorului T3

4.1. Se alege T3 din condiţiile:

ICM > 1,05 I1 = IT3M (s-a presupus maxim 5% curentul I4 prin divizorul )

UCB0 > Us1M

Pentru curenţi mari se poate alege ca tranzistorul T3 să fie format din două

tranzistoare identice, puse în paralel ca în figura 8.9:


189

Fig. 8.9. Conectarea în paralel a două tranzistoare de putere

Rezistenţele de egalizare se aleg:

R32 = R31 = 0,1…0,2 ohmi

4.2. Se evaluează tensiunea minimă pe rezistenţa R2, UR2m în cazul cel mai

defavorabil. pentru care există curent maxim la ieşire şi tensiune minimă la intrarea

stabilizatorului, UC1m din relaţia:

UC1m = UR2m + UBE3M + U1 (8.21)

unde UBE3M se determină din foile de catalog la curent maxim, ştiind că atunci avem

un curent maxim de bază IB3M = IT3M / βm. În lipsa datelor în foaia de catalog se va lua

UBE3M=0,7V

4.3. Se evaluează rezistenţa R2.

Rezistenţa R2 trebuie să răspundă la două condiţii contradictorii:

- trebuie să fie mare deoarece amplificarea de tensiune a amplificatorului de

eroare decide calitatea stabilizatorului, iar aceasta depinde direct proportional de

valoarea R2

-trebuie să fie suficient de mică pentru a asigura curentul de comandă al

tranzistorului T3 pentru situaţia cea mai defavorabilă, când există curent maxim la

ieşire şi tensiune minimă la intrarea stabilizatorului conform relaţiei:

R2 < UR2m / IB3M (8.22)

Se va lua R2 : 200…2000 ohmi, valorile mici fiind potrivite pentru tensiuni

mici şi curenţi mari la ieşire.

4.4. Se va reevalua alegerea tranzistorului T3.

Din relaţia (8.22) rezultă un curent de comandă maxim limitat:

IB3M < UR2m / R2 (8.23)

şi apoi valoarea factorului de amplificare în curent minim pentru T3:

βm > IT3M / IB3M. (8.24)

Se verifică dacă T3 răspunde la relaţia anterioară. Dacă nu, atunci există două

soluţii:

-se caută un alt tranzistor, cel mai potrivit fiind un tranzistor de tip Darlington;

-se adaugă tranzistorului ales un al doilea, de putere mai mică, T3b care să

formeze cu primul, considerat acum T3a, un tranzistor compus Darlington conform

figurii 8.10.


190

Fig. 8.10. Conexiunea Darlington

Tranzistorul T3b se alege din condiţiile: ICM > IB3M

UCB0 > Us1M

4.5. Se reface calculul începând cu punctul 4.1 unde se vor lua:

-UBE3M aproximativ 1,4 V

- IB3M = I T3M/ βech

unde βech este β3amβ3bm pentru soluţia conformă cu figura 8.10 sau β minim al

tranzistorului Darlington ales.

8.5.2. Calculul amplificatorul de eroare

4.6. Se stabileşte curentul maxim prin tranzistorul T2 care corespunde situaţiei

în care tensiunea de intrare este maximă şi curentul de comandă neglijabil (s-a neglijat

şi UBE3) :

I2M = (Us1M – U1) / R2 (8.25)

4.7. Se aleg T1 şi T2 identice din condiţiile:

ICM > I2M

UCB0 > Us1M

4.8. Se calculează R3.

Se consideră că atunci când curentul este maxim prin T2 tranzistorul T1 este

parcurs de un curent neglijabil şi deci I3 = I2M. Dar tranzistorul trebuie să rămână în

zona activă şi impunem condiţia ca la curent maxim să se pastreze o valoare minimă:

UCE2m = 3 V (8.26)

Atunci relaţia din care rezultă tensiunea pe rezistenţa R3 este:

3V + UR3 = 0,7V (sau 1,4 pentru Darlington) + U1 (8.27)

Rezultă UR3 şi R3:

R3 = UR3 / I3 (8.28)

4.9. Se alege R1 = R2 (R1 are doar rolul de a micşora puterea disipată pe

tranzistorul 1).

8.5.3. Calculul circuitului tensiunii de referinţă (R, DZ)

4.10. Calculul tensiunii diodei Zener


191

Considerăm tensiunea baza-emitor pentru tranzistoarele T1, T2 fiind 0,7 V şi

rezultă tensiunea UZ pe dioda Zener:

UZ = UR3 + 0,7V (8.29)

4.11. Se alege o diodă Zener de 0,5W şi tensiune Zener egală cu UZ

4.12. Calculul rezistenţei R

Se alege un curent minim pe dioda zener mult mai mare decât curentul maxim

de bază al tranzistorului T1, corespunzător curentului maxim prin T1 care este egal cu

I3:

IZm >> I3 / β1m (8.30)

Se calculează tensiunea minimă pe rezistenţa R corespunzătoare tensiunii

minime de intrare, UC1m :

URm = UC1m - UZ (8.31)

Neglijăm IB1 şi atunci curentul prin R este egal cu cel prin diodă, rezultând

valoarea rezistenţei R :

R = URm / IZm (8.32)

8.5.4. Calculul divizorului rezistiv (R4, R5 )

4.12. Calculul tensiunii divizorului, UR5:

Similar punctului 4.10, considerăm tensiunea baza-emitor pentru tranzistoarele

T1, T2 fiind 0,7 V şi rezultă :

UR5 = UR3 + 0,7 (8.33)

4.13. Se alege un curent prin divizorul rezistiv:

0,05I1 > I4 >> I2M / β2m (8.34)

4.14. Calculul rezistenţelor R4 şi R5 .

Se neglijează IB2 şi atunci:

R4 + R5 = U1 / I4 (8.35)

UR5 = R5 I4 (8.36)

de unde vor rezulta cele două rezistenţe.

8.5.5. Alegerea rezistenţelor

Valorile rezistenţelor vor fi conforme cu valorile standard corespunzătoare

seriilor de precizie E6 (20%), E12 (10%) sau E24 (5%).

Pentru toate rezistenţele se face un calcul al puterii disipate maxime iar

rezistenţele vor fi alese conform acestor puteri.

Obs: În cazul condensatoarelor, valorile vor fi conforme cu valorile standard E6.

8.6. Calculul radiatorului pentru dispozitivele semiconductoare

Temperatura maximă la nivelul joncţiunilor unui dispozitiv semiconductor este

de 175-200 oC. Empiric, fiecare reducere de 10

oC la temperatura de lucru a joncţiunii

dublează viaţa dispozitivului.


192

În curent continuu sau la frecvenţe joase (cazul stabilizatoarelor liniare) căldura

eliberată la nivelul joncţiunilor este echivalentul puterii electrice:

PD = UI (8.37)

Unde:

- PD puterea disipată pe dispozitiv

- U tensiunea continuă sau efectivă pe dispozitiv

- I curentul continuu sau efectiv prin dispozitiv

Pentru diode:

PDD = UDID (8.38)

Pentru tranzistoare bipolare:

PDT = UCBIC + UBEIE (8.39)

Curentul de emitor fiind aproximativ egal cu cel de colector se utilizează obişnuit

relaţia:

PDT = UCEIC (8.40)

Puterea disipată provoaca o creştere a temperaturii la nivelul joncţiunilor.

Eliminarea acesteia spre mediul ambiant întâlneşte o rezistenţă termică a spaţiului

dintre joncţiune şi mediul ambiant. Relaţia principală pentru fenomenul termic este:

Tj – Ta = PD Rth j-a (8.41)

Unde:

- PD puterea disipată pe dispozitiv

- Tj temperatura joncţiunii

- Ta temperatura ambiantă

- Rth j-a rezistenţa termică dintre joncţiune şi mediul ambiant

Relaţia este echivalentă legii lui Ohm, motiv pentru care se poate face şi o

schema echivalentă (ca în figura 8.11) în care puterea disipată e corespondentă

curentului, temperaturile sunt corespondente potenţialului electric şi rezistenţa termică

corespunde rezistenţei electrice:

Fig. 8.11. Schemă echivalentă pentru fenomenului termic.

Dar există două spaţii diferite de transmisie a căldurii între joncţiune şi ambiant,

atât pentru diode cât şi pentru tranzistoare.

Primul este între joncţiune şi capsula dispozitivului iar rezistenţa termică dintre

joncţiune şi capsulă depinde de construcţia fizică a dispozitivului. Ea este data de

producători în foile de catalog ale dispozitivului, Rth j-c.

Al doilea este spaţiul dintre capsula şi mediu ambiant (aer). Dacă nu exista un

dispozitiv special (radiator) pentru a facilita transmisia căldurii spre ambient, rezistenţa

termică, mare, este dată tot de producător, Rth c-a. Dacă exista radiator, rezistenţa dintre


193

capsula şi ambient va fi egală de fapt cu rezistenţa termică a radiatorului, mică (apare

în paralel cu rezistenţa capsula-ambient a dispozitivului, mult mai mare). Schema

echivalentă este, în cazul acesta, prezentată în figura 8.12:

Fig. 8.12. Schemă echivalentă termică pentru dispozitiv cu radiator.

Calculul radiatorului înseamnă determinarea rezistentei termice necesare pentru

a ţine temperatura joncţiunii mai jos decât temperatura maxim admisibilă.

Pentru cazul cu radiator, relaţia principala devine:

Tj – Ta = PD (Rth j-c + Rth c-a) (8.42)

Radiatorul trebuie ales astfel încât rezistenţa lui termică sa fie destul de mică

pentru a menţine temperatura joncţiunii sub limita admisibilă. Va rezulta relaţia ce

permite alegerea radiatorului:

Rth c-a < (Tj – Ta - PD Rth j-c) / PD (8.43)

8.7. Modelarea stabilizatorului cu PSpice Microsim 8 Eval

8.7.1. Instalare program

Programul se dezarhivează şi se instalează cu opţiunea:

MicroSim PSpice A/D

Programul permite simularea circuitelor electronice analogice sau digitale

(A/D). Paşii care trebuie făcuţi sunt:

Desenarea schemei circuitului;

Fixarea parametrilor elementelor componente;

Alegerea punctelor de măsură şi plasarea sondelor;

Simularea;

Prelucrarea rezultatelor.

8.7.2. Desenarea schemei circuitului

Se va deschide secţiunea Schematics a programului.

Pe câmpul de lucru se va construi schema circuitului.


194

Pentru asta, se vor alege pe rând elementele componente ale schemei, care se

plasează pe câmpul de lucru similar cu poziţia lor din schemă. Elementele pentru

simularea stabilizatoarelor sunt:

R – rezistentă

C – condensator

D1N4002 – diodă redresoare

D1N750– diodă Zener

Q2N2222 – tranzistor bipolar npn

VSIN – sursă de tensiune sinusoidală

GND_ANALOG – punct de origine a potenţialelor (masă)

Apoi se fac legaturile electrice prin fire.

Alegerea unui element se face cu comanda:

Draw – Get New Part

Sau, dacă a mai fost plasat, se mai găseşte şi în partea dreaptă, sus, într-o casetă

derulantă de unde se preia cu mausul.

Elementele se găsesc într-o bibliotecă ce apare în urma comenzii. O dată

plasate, pe lânga simbol apare denumirea şi, acolo unde este cazul, valoarea. După

plasare elementele pot fi deplasate sau rotite iar denumirea sau valoarea pot fi

deplasate pentru a nu apare suprapuneri.

Pentru a lega firele de conexiune se utilizează comanda:

Draw – Wire

8.7.3. Fixarea parametrilor elementelor componente

O dată realizată schema trebuie fixati parametrii elementelor.

Pentru R şi C e nevoie doar de modificarea valorilor care se face după dublu

clic pe valoare.

Pentru VSIN - sursa de tensiune sinusoidală, parametrii ce trebuie obligatoriu

fixaţi, după dublu clic pe element, sunt:

VOFF – valoarea componentei continue;

VAMPL – valoarea de vârf a tensiunii alternative;

FREQ – frecvenţa acesteia.

Pentru dispozitivele semiconductoare parametrii care definesc elementul

(modelul dispozitivului) sunt mulţi, diverşi şi de cele mai multe ori deosebiţi de

parametrii utilizaţi uzual. Ei pot fi vizualizaţi şi apoi modificaţi, după selectarea

elementului, cu comenzile:

Edit – Model – Edit Instance Model


195

Este important de ştiut cum anume se scriu multiplii sau submultiplii mărimilor

în PSpice. Regulile sunt următoarele:

Sufix Denumire Scara

G Giga E+09 1,000,000,000

X or MEG Mega E+06 1,000,000

K Kilo E+03 1,000

M Milli E-03 0.001

U Micro E-06 0.000 001

N Nano E-09 0.000 000 001

P Pico E-12 0.000000000001

Obs:

Dacă nu există prefix, atunci sunt unităţile internaţionale.

Exemple:

R 10 - 10 ohmi

R 27k - 27.000 ohmi

C .001 - 0.001 farazi – 1000 micro farazi

C 500u - 500 micro farazi

8.7.4. Alegerea punctelor de măsură şi plasarea sondelor

Pentru a vizualiza şi evalua mărimile electrice principale, tensiuni sau curenţi,

se plasează sonde (markere) în punctele unde este dorită vizualizarea (tensiunile vor

avea masa ca punct de referinţă).

Comanda:

Markers – Mark Voltage (sau Mark Current)

8.7.5. Simularea

Programul permite mai multe tipuri de analize.

La proiectul de faţă se va face doar o simulare a regimului tranzitoriu. Pentru

asta se va stabili tipul de analiză şi parametrii acesteia cu comanda:

Analysis – Setup

Se selectează (Enabled) doar varianta Transient

În continuare activând Transient se pot modifica parametrii simulării.

Simularea se face cu comanda:

Analysis – Simulate

8.7.6. Prelucrarea rezultatelor

După simulare vor fi afişate mărimile alese şi evoluţia lor în intervalul stabilit

de programul MicroSim Probe.


196

Dacă diferenţele între mărimi sunt prea mari, unele fiind puţin vizibile, acestea

din urmă pot fi multiplicate cu o constantă. Operaţia se face astfel:

Clic dublu pe mărimea prezentată în partea de jos a graficului cu denumirea sa,

de exemplu V(D1, 2). Se face modificarea în caseta Trace Expression, de exemplu

3*V(D1,2), care amplifică de trei ori curba trasată pe grafic.

8.7.7. Particularităţile simulării la proiectul de faţă

La proiectul de faţă se vor simula pe rând celor două stabilizatoare.

Se va pune punctul de origine a potenţialelor (masă), GND_ANALOG, la

punctul de minus al tensiunii de ieşire.

Înfăşurările secundare vor fi înlocuite la fiecare stabilizator cu surse de tensiune

sinusoidală în serie cu rezistenţa echivalentă a înfăşurării.

Vor fi introduse valorile elementelor R, C găsite prin calcul la fiecare schemă.

Pentru VSIN - sursa de tensiune sinusoidală, parametrii ce trebuie obligatoriu

fixaţi, după dublu clic pe element, sunt:

VOFF – valoarea componentei continue (0 pentru cazul surselor echivalente

înfăşurărilor transformatorului);

VAMPL – valoarea de vârf a tensiunii alternative;

FREQ – frecvenţa acesteia.

Pentru dispozitivele semiconductoare se va modifica doar parametrul:

Bv 4.7

de la dioda Zener, care reprezintă tensiunea Zener (Breakdown voltage) şi care în cazul

standard este 4,7 volti. Se va modifica valoarea tensiunii Zener standard cu aceea

corespunzătoare diodei alese.

Parametrii variantei Transient de simulare se aleg astfel:

Print Step de ordinul microsecunde

Final Time în jurul a 100 de milisecunde (perioada tensiunii de

alimentare este 20 milisecunde, simularea se face pe intervalul 0-Final Time)

Rezultatele principale, ce vor fi afişate, sunt:

- tensiunea la intrarea stabilizatorului (tensiunea pe condensatorul de filtraj)

- tensiunea de ieşire a stabilzatorului

- curentul de ieşire, fixat la valoarea maximă, data prin tema de proiectare. Pentru

asta se va conecta o rezistenţă potrivită la ieşirea stabilizatorului.


197

8.8. Anexă

Diagramă de calcul pentru suprafaţa miezului şi numărul de spire pe volt

Tabel 2. Caracteristici tole


198

Tabel 1. Caracteristici conductoare de bobinaj

elemente de proiectare pentru ......capitolul 8 elemente de proiectare pentru stabilizatoare de...

Documents