GESTABILISEERDE VOEDING

Transcriptie

1 1 GESTABILISEEDE VOEDING In de module over de diode werd in de laatste paragraaf de netadaptor behandeld: om aan de uitgang een dc-spanning te bekomen, werd in serie met de belastingsweerstand een zenerdiode geplaatst (figuur 1). v C (t) 9V V (t) 5V 0 t 0 t v C v IN 9,7sinωt C Fig. 1 Om over deze schakeling eenvoudige berekeningen te kunnen doen, hebben we verondersteld dat de spanning v C konstant is en gelijk aan 9V. We bekomen dan het schema van figuur 2. 9 V Fig. 2 Deze schakeling heeft als specifikaties dat de uitgangsspanning moet gelijk zijn aan 5 V, en dat de maximale belastingsstroom gelijk is aan 500 ma. Hiervoor kiezen we een zenerdiode met een zenerspanning van 5 V, en een nemen we de serieweerstand gelijk aan 8 Ω, zodat bij maximale belasting ( = 10 Ω) de ganse stroom door deze vloeit, en de stroom door de zenerdiode dan nul wordt (dit is natuurlijk een limietgeval, in werkelijkheid moet er steeds een minimumstroom door de zenerdiode lopen). Het grote nadeel van deze schakeling is dat de stroom konstant en gelijk aan I S = 500 ma. Dit heeft als gevolg dat, als de netadaptor niet belast wordt ( oneindig) deze 500 ma door de zenerdiode moet lopen. De dissipatie in de zenerdiode bedraagt dan 5 V x 500 ma = 2,5 W. We kunnen dit probleem oplossen door het bijplaatsen van een transistor, geschakeld als volger. We bekomen dan het schema van figuur 3. Als we 5 V wensen aan de uitgang, nemen we een zenerdiode van 5,7 V. Bij maximale belasting is = 500 ma. Als we een β veronderstellen van 100, dan is de basisstroom 5 ma. Door de zenerdiode nemen we aan dat er een minimale stroom loopt van 1 ma. Dan moet gelijk zijn aan 6 ma. Hiervoor nemen we de weerstand gelijk aan 550 Ω. Over de transistor staat er een spanning V UIT. Gestabiliseerde voeding 1 / 5

2 2 ~ 9 V / β 5V V Z = 5,7V ~ Fig. 3 Als = 9 V en V UIT = 5 V, staat er V over de transistor. Met een stroom van 500 ma, is de vermogendissipatie in de transistor gelijk aan 2 W. Hoe hoger de spanning, hoe groter de dissipatie in de transistor. Als de schakeling onbelast is, dan vloeit er enkel 6 ma door de zenerdiode. Het nadeel van deze schakeling is dat de uitgangsspanning zakt als de belastingsstroom toeneemt, en dit om twee redenen. Een eerste reden is dat, als toeneemt, /β eveneens toeneemt, zodat afneemt. Als afneemt, zal de spanning over de zenerdiode (een klein beetje) zakken, afhankelijk van de karakteristiek van de zenerdiode. Een tweede reden is dat, als toeneemt, de basis-emitterspanning toeneemt. Als we de situatie = 500 ma vergelijken met de situatie = 1 ma, dan komt dit overeen met een toename van de basisemitterspanning V BE = V T ln 500 = 155 mv, dus een afname van de uitgangsspanning. We kunnen dit probleem oplossen door het bijplaatsen van een operationele versterker, zoals getekend in figuur. / β Fig. We nemen terug een zenerdiode van 5V. De stoom door de zenerdiode is nu onafhankelijk van de belastingsstroom, maar hangt af van en. Als we deze stroom zo konstant mogelijk willen houden (dit opdat de spanning over de zenerdiode zo konstant mogelijk zou zijn) kunnen we vervangen door een stroombron (een JFET met de gate aan de source). Als de opamp niet in verzadiging is, is V UIT = V Z = 5 V. Als de belastingsstroom verandert, zal de uitgangsspanning van de opamp zich aanpassen om V UIT op 5 V te houden. Door het bijplaatsen van twee weerstanden kunnen we de uitgangsspanning aanpassen. Gestabiliseerde voeding 2 / 5

3 3 ~ / β Fig. 5 We bekomen dan figuur 5. De uitgangsspanning is nu bepaald door de formule 1 2 VUIT = VZ 1 Als we vervangen door een potentiometer, dan bekomen we meteen een regelbare voeding. De opamp kan worden vervangen door een bipolaire transistor, en dan bekomt men het schema van figuur 6. In deze figuur hebben we aangenomen dat =. 15 V ~ 12,1V 11,V 5,7V Fig. 6 We gaan terug naar het schema van figuur 5, en buigen ons over het volgende probleem : wat gebeurt er als de uitgang (toevallig) wordt kortgesloten? Dan is de uitgang van de opamp ongeveer gelijk aan 0,85V (0,7 V BE!), zodat de opamp in zijn stroombegrenzing gaat. Stel dat de maximale stroom die de opamp kan leveren gelijk is aan 20 ma (zoals bv. de 71). Vermits deze stroom de basisstroom is van de transistor, is de kortsluitstroom I K ongeveer β keer groter. Stel : β = 100, dan is I K = 2 A! Als = 15 V, dan staat er op dat ogenblik ook 15 V over de transistor, zodat de transistor een vermogen moet dissiperen van 30 W! Dit zou een beetje te veel kunnen zijn. De kortsluitstroom kan worden gereduceerd door het plaatsen van de weerstand tussen de opamp en de transistor, zoals getekend in figuur 7. We nemen de volgende waarden: β = 100, = 15 V, de positieve saturatiespanning van de opamp 1 V, V BE = 0,85 V, = 2,5 k. Dan is de basisstroom gelijk aan 13,15 V / 2,5 k = 5,26 ma en dus is de kortsluitstroom dan gelijk aan I K = 526 ma. De dissipatie in de transistor is gereduceerd tot 7,9 W. Gestabiliseerde voeding 3 / 5

4 15 V ~ = 526 ma 0,85 V 2,5 k 5,26 ma = I K = 0 1 V = 0 Fig. 7 Stroombegrenzing In het vorige schema voegen we de weerstand toe en de transistor Q 2 : we bekomen dan het schema van figuur 8. ~ Q 1 Q 2 V Z Fig. 8 Fig. 9 I K Het werkingsprincipe van deze stroombegrenzing is als volgt : als de spanning over de weerstand groter wordt dan 0,7 V, dan gaat transistor Q 2 in geleiding, waardoor de basis van Q 1 naar beneden wordt getrokken en dus ook de uitgangsspanning. Door de exponentiële karakteristiek van de transistor gebeurt dit vrij drastisch : we bekomen dan een kurve zoals getekend in figuur 9. De waarde van de kortsluitstroom is bepaald door 0,7 V I K = Het nadeel van deze schakeling is dat de vermogendissipatie in de transistor nog vrij groot is, namelijk het produkt ( 0,7V) x I K. Om deze dissipatie te reduceren moet I K kleiner gemaakt worden. Het is mogelijk om deze kortsluitstroom kleiner te maken dan de maximale belastingsstroom. Het enige wat daarvoor nodig is zijn twee extra weerstanden 3 en, zoals getekend in figuur 10. Gestabiliseerde voeding / 5

5 5 ~ Q 1 v E Q 2 3 V Z Fig. 10 We noemen I M de maximale belastingsstroom. Bij deze stroom begint transistor Q 2 te geleiden. Dit gebeurt als V BE2 = 0,7 V. Om deze stroom I M te berekenen, beschouwen we de lus, gevormd door Q 2, en. Als we op deze lus de spanningswet van Kirchhof toepassen, dan kunnen we schrijven I M M v E = 0,7 V 3 Vermits v E = I M kunnen we dit in bovenstaande formule invullen. We bekomen dan 3 I M = 0,7 V vuit 3 3 zodat we de maximale belastingsstroom I M kunnen berekenen met de formule 0,7 V ( 3 ) v UIT I M = vuit 3 3 I K Fig. 12 I M We noemen I K de kortsluitstroom. Vermits dan gelijk is aan nul, wordt deze kortsluitstroom berekend met de formule IK = 0,7 V ( 3 ) 3 Vermits I K kleiner is dan I M bekomen we de zogenaamde foldback -karakteristiek van figuur 12. Opmerking : bovenstaande formules gaan ervan uit dat de stroom door Q 2 verwaarloosbaar is. In werkelijkheid is dit niet zo, zodat de werkelijke kortsluitstroom wat groter is dan met bovenstaande formule wordt berekend. Gestabiliseerde voeding 5 / 5