Vo=VB+VBE2 +~+~Vo Vn=(Vn+VBEZ) 1 +~ = (Va +V8E2)/,8. [18.54]

-?:ti,
,
'
788
Capitolo diciottesimo
+
R1
RL
Vo
R2
Figura 18.17
Alimentatore stabilizzato a transistori. Ql è il regolatore serie. Q2 è l'amplificatore
errore e D è il diodo Zener di riferimento.
di
dove la batteria VBè sostituita dal diodo Zener D. Una frazione ,8Vodella tensione d'uscita viene confrontata con la tensione di riferimento VB. La differenza
,8V0- VB è amplificata da Q2. Se la tensione d'ingresso aumenta di ilVi (per
esempio, in seguito all'aumento della tensione di rete) Vodeve aumentare molto
poco, e quindi Q2 determina una variazione di corrente notevole in Rs. Perciò
è possibile che la tensione ilVi si manifesti quasi interamente ai capi di Rs (e poiché
la tensione base-emettitore è piccola, anche ai capi di Q1) e che Vorimanga, essenzialmente costante. Queste considerazioni vengono ora svolte in modo quaJ,1titativo.
Analisi semplificata. In base alla figura 18.17, la tensione continua di uscita ~
è data da
Rl
Vo=VB+VBE2+~+~Vo
oppure usando la definizione di ,8 dell'equazione [18.48]
Vn=(Vn+VBEZ)
(1 +~Rl ) = (Va+V8E2)/,8.
[18.54]
Quindi si può facilmente variare la tensione d'uscita variando il rapporto Rl/ Rz
mediante un partitore resistivo, come indicato nella figura 18.17.
Si può ottenere un'espressione approssimata di Sv (sufficientemente accurata, per la maggior parte delle applicazioni) procedendo nel modo seguente:
la variazione Vi"della tensione d'ingresso è molto maggiore della variazione Vo
,:'"della tensione d'uscita. Inoltre, in base alla definizione data dall'equazione [18.51],
.':'-:c:~,~,
~lL = O, e in prima approssimazione si può trascurare la caduta di tensione alternata su r o' Quindi ilVi = Vi è come indicato nella figura i8.18. Trascurando la
piccoJa variazione di tensjone tra la base e .l'emettitore di Ql, la variazione di
~,;~J:"i';'
.
~1}
-/.
~n alimentat~re stabil~zzato ideale è un .cir~uito elettronico progettato per
fornJre una te~s10necontInua prefissata Vo, Indipendente dalla corrente IL pre.levata dal cariCO, dalla temperatura e da qualunque variazione della tensione
.di rete. Un alimentatore non stabilizzato comprende un trasformatore, un raddrizzatore e un filtro, come è indicato nelle figure 4.19 e 4.23.
Vi sono tre ragionj per cui, in molte applicazionj, un alimentatore non stabiljzzato può non esseresufficiente. La prima è la scarsa regolazione; la tensione
d'uscita non rjmane costante al variare del carico. La seconda è che la tensione
continua d'uscita varia con la tensione alternata d'ingresso. In alcuni impianti
la tensione di rete (del valore nominale di 115 V) può varjare di più dello. %,
da 90 V a 130 V, mentre è necessario che la tensione continua d'uscita rimanga
essenzialmentecostante. La terza ragione è che la tensione continua d'uscita
varia con la temperatura, sostanzialmente perché si usano dispositivi a semiconduttore. Utilizzando il circuito con reazione indicato nella figura 18.I 6 si
possono superare, almeno in parte, gli inconvenienti indicati in precedenza e
inoltre ridurre la tensione di ondulazione. Questo sistema è detto alimentatore
stabilizzato [8]. Come si può vedere dalla figura 18.16 un alimentatore stabilizzato è un esempio di circuito con reazione di tipo tensjone-serie. Se si suppone
che l'amplificazione di tensjone dell'inseguitore di emettitore Ql (Ql è detto
elemento di regolazione di tipo serie) sia circa unitaria, e cioè V~==V" e
ì
v~= AVVi= Av(~-.BVo)==
Vo.
[18.47]
dove il coefficiente di reazione vale
.8 ==
R2
[18.48]
R1 + R2
Elemento di
controllo serie
Ql
~
o
IIL
Rl
:,
t
Yo'
RL
,
,
+
i
_VR
t
I
'
R2
.BVo
-
;1
f
+
-=-
-
.
R
!
:
:
Figura 18.16 Alimentatore stabilizzato.
,
'!àJ
_~i""i
I
of
790
Capitolo diciottesimo
dovuta alla variazione della tensione di ingresso di :!:: 5 V e alla variazione della
corrente di carico IL da zero alA.
Soluzione. (a) Si sceglie un diodo di riferimento al silicio con VB~ Vo/2. Due
diodi 1N755 in serie danno VB = 7,5 + 7,5 = 15 V e Rz = 12.0. a Iz = 20 mA.
Si faccia riferimento alle figure 18.18 e 18.19. Si sceglie IC2~ IE2 = lO mA. II
transistore al silicio 2N930 prodotto dalla Texas Instruments può lavorare con corrente di collettore di lO mA. Per questo transistore il costruttore specifica i valori
lc.max= 30 mA e VaE.m~x
= 45 V.
10n
ro
~
+
22
-RD
112)=
111=
tlOmA
+
flUmA
1 k.o.
Ri
930 il
!IL
1=
Vi.= 50:f:5 V
+
RL
~ = 25 V
+
Vz
l
IZz=
t 20 mA
R2
1570 .o.
~
--i
Figura
18.19
1.1regoJatore
di tipo serie esaminato
nell'esempio.
I parametri del transistQre per IC2= .10mA sono i seguenti:
hPE2= 220 ,
htB2= 200 ,
hiB2= 800 .o..
Si pone ID = ]0 mA, in tal modo DI e D2 lavorano con I. = ]0 + lO = 20 mA,
e quindi
Vo- VB 25 -15
RD = 00
-_o = 0___0_-= 1 k.o. .
ID
lO
Il rapporto Rl/R2 si può ricavare dall'equazione [18.54]. I due resistori si determinano nella maniera seguente:
Ic2
IB2= -=
hPB2
~
lO-_o
mA = 45 fLA.
220
Poiché vogliamo che sia Il ~ IB2' si sceglie Il = lO mA, e quindi ,essendo V BB= 0,7 V,
V2 = VBE2+ VR= 15,7 V,
Rl = VO-V2
= 25-15,7
Il
10xlO-a
R2 ~~=
Il
= 930 .o. '
~~
.10x lO-a = 1570.0..
-
792
Capitolo diciottesimo
ì Prestal,ilizz.
to'"lStaI,
il;".to,
+
lN746
,
Carico
1
2NI049
+
l,O k.Q.
6,2 k.Q.
2Nll
4,7 k.Q.
2N
1Ii
RL
37,5-70 V
3~
Oo
V
2N
500 !l
0-400 mA
5,1 ~.Q.
l k.Q.
lN7
30 k.D.
,
Figura 18.20
Schema tipico di uno stabilizzatore
di tipo serie con preregolatore e coppia Darlington
(Texas Instruments).
Considerazioni pratiche. La massima corrente continua erogata al 'carico
dell'alimentatore della figura 18.18 è limitata dalla massima corrente che può
tollerare il collettore del transistore in serie. La differenza tra le ~~!'~ioni di
uscita e d'ingresso dello stabilizzatore viene applicata a Ql, e la massima t~llsione VoEconsentita per un dato transistore QI, insieme con la tensione d'uscita,
determina la massima tensione che può venir applicata allo stabilizzatore. Il prodotto della corrente di carico per VOE
è approssimativamente eguale alla potenza
dissipata sul transistore in serie. Di conseguenza,la massima potenza tollerata
dal transistore-serie limita ulteriormente sia la corrente di carico sia la tensione
d'ingresso dello stabilizzatore.
La corrente inversa di saturazione 1001del transistore Ql è determinata nel
calcolo del carico minimo dello stabilizzatore. Se ISI = O, si ha
Ict = -lEI
= 1001(1+ hFEJ.
Quindi, se la corrente di emettitore di Q1 (IL + ID+ IJ diventa inferiore a 1001.
.(1 + hl!'EJ,allora V OElnon può essereco~trollata mediante ISI' e lo stabilizzatore non può più funzionare in modo corretto. Si vede che per valori elevati
della temperatura, dove 100e hl!'Esono elevati, lo stabilizzatore non può funzionare quando la corrente di carico scende al di sotto di un. valore minimo determinato. Sono state proposte [lO] diverse tecniche per ridurre tale limitazione
sul valore minimo del carico dovuta alla Iao. Il resistore da 30 kQ nella figura 18.20
794
18.11
Capitolo diciottesimo
REGOLATORI
DI TENSIONE'
MONOLITICI
[11]
Il regolatore di tensione indicato nella figura 18.16 può essererealizzato su
di una sola piastrina di silicio, sfruttando in tal modo tutti i vantaggi dei circuiti integrati: basso costo, elevate prestazioni, piccole dimensioni e facilità di
impiego. L~utilizzazione di regolatori di tensione monolitici c<?nsentedi distribuire
all'interno di un'apparecchiatura elettronica una tensione di alimentazione non
regolata e di effettuare la stabilizzazione localmente, ad esempio sulle singole
schede di un circuito stampato. I vantaggi offerti da questo tipo di soluzione
sono la maggior flessibilità nei livelli di tensione, la stabilizzazione sui singoli
stadi, il migliore disaccoppiamento e isolamento tra gli stadi. Sono disponibili
stabilizzatori di tensione monolitici che operano nel campo di tensione compresa fra O e 1000 V, e con un elemento di controllo esterno si possono avere
correnti anche superiori a 60 A.
Il circuito di uno stabilizzatore di tensione monolitico è sostanzialmente più
complesso della configurazione a elementi discreti della figura 18.20. La complessità superiore è dovuta al fatto che, per ottenere l'amplificazione Av indicata
nella figura 18.16, invece di utilizzare un solo transistore, come nel circuito della
figura 18.20, si utilizza un amplificatore differenziale con molti transistori. Inoltre,
viene aggiunto un opportuno circuito in modo da rendere nullo il coefficiente
di temperatura della tensione di riferimento ottenuta con un diodo Zener.
Fortunatamente, è relativamente facile aggiungere diodi e transistori in un circuito integrato monolitico, senza aumentare il costo in modo significativo.
Un esempio è il rego1atore di tensione integrato per correnti fino a 200 mA
riportato nella figura 18.22. n dispositivo LM 105 prodotto dalla National
.Rs
0,75n
Vo = 15 V
RI
16,7 k.Q
1
Q1
47
+
2N3740
pF
-Cl
1p.F
V ~ 18 V
R
,3 k.Q
---Figura 18.22
Stabilizzatore di tensione realizzato con il circuito LM 105IC e con un transistore esterno
Ql per poter operare fino a 200 mA.
\
i