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Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto UtenteElidur » 10 gen 2021, 22:22

Buona sera,
gironzolando per internet mi è capitato di trovare degli schemini definiti circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili.
Li ho trovati interessanti perché qualche anno fa ebbi la necessità di acquistare uno zener da 7,5V. 50 Watt. e lo pagai parecchio.
Ora se fosse vero che con un transistor di potenza e poco altro è possibile realizzare uno zener di potenza a tensione regolabile sarebbe per me un circuito da tenere seria considerazione in caso di occorrenza e per un uso particolare.

Il problema è che non ho capito quale dei tre schemini che ho trovato sia il più idoneo anche in potenza e se sia veramente possibile regolare una tensione di zener. Avrei anche bisogno di conoscere un metodo per determinare il valore dei componenti di polarizzazione a seconda della tensione e della corrente o della potenza. Inoltre gli schemini presentano delle differenze che non mi sembrano marginali.

Sarebbe possibile avere qualche suggerimento?

Grazie per l’attenzione.

Schema 1


Schema 2


Schema 3
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[2] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto Utenteedgar » 10 gen 2021, 22:59

Per tensioni fino a 30-35 V un circuito con il TL431 è sicuramente più comodo e stabile.
Tl431.jpg
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[3] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto UtenteElidur » 10 gen 2021, 23:10

Grazie Foto Utenteedgar, quel circuito però è un piccolo alimentatore, non è un circuito zener equivalente. Gli schemini pubblicati, ammesso che siano funzionanti ed utilizzabili, con le opportune correzioni, sono in pratica degli zener costruiti dall’utente e che potrebbero/dovrebbero essere regolabili e anche di una certa potenza. In sostanza dovrebbero disporre per il collegamento soltanto di un pin positivo e uno negativo, proprio come gli zener. Non sarebbe possibile?
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[4] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto UtentePioz » 10 gen 2021, 23:50

Ciao

Allora, lo schema 1 ha anche senso anche se non mi sembra granche' pulito. La tensione di clamp equivalente e' imposta sia dalla tensione di zener che dalla Vbe del transistor, la quale e' moltiplicata per il termine (1+R1/R2), dove R1 e R2 sono le due porzioni di resistenza del trimmer. Quindi
V_{out} = Vz + Vbe(1+\frac{R1}{R2})

Lo schema 3 e' uguale al primo, basta mettere Vz=0.

Il discorso e' che essendo basati su Vbe, non mi sembrano granche' stabili in temperatura. ANche per via del fatto che queste (sia la Vbe che la temperatura) dipendono dalla corrente di carico.
La corrente poi passa praticamente tutta sul transistor. (la parte che passa per il ramo di bias e' impostata dal valore del trimmer.

Lo schema 2 non ha senso per me. Sia perche' la tensione di zener e' impostata anche dalla corrente di base del transistor Vout = Vz+Vbe+Rtrimm*Ib, e Ib cambia sia con temepratura che anche con il carico, sia perche' lo zener deve sopportare tutta la corrente, e a sto punto tanto vale...


Lo schema proposto da Foto Utenteedgar invece direi che va piu' che bene in quanto puo' essere usato anche flottante come zener equivalente. I terminali sono Vbatt e il negativo (Togli la resistenza in serie a Vbatt), che puoi collegarli bene o male dove vuoi. Poi il TL431 e' parecchio preciso e stabile!

Ah, nessuno di quei circuiti fa veramente da zener perche' in polarizzazione diretta non c'e' il diodo a 0.6V, quindi emulano solo la parte zener e non la parte diodo. Non penso ti serva, ma mi pare doverso dirlo.


Spero di non aver detto cagate, in caso se passa Foto UtenteIsidoroKZ sapra' consigliarti molto meglio
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[5] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto Utenteedgar » 11 gen 2021, 0:11

Elidur ha scritto:quel circuito però è un piccolo alimentatore

Come giustamente fa notare Foto UtentePioz, il circuito all'atto pratico ha solo due terminali.
Essendo un regolatore di tipo shunt lavora allo stesso modo di uno zener con il "rinforzino" del transistor.
Il TL431 è un componente molto versatile e preciso, se dai un'occhiata al suo datasheet / application notes trovi delle applicazioni anche abbastanza strane

Pioz ha scritto: nessuno di quei circuiti fa veramente da zener perche' in polarizzazione diretta non c'e' il diodo a 0.6V, quindi emulano solo la parte zener e non la parte diodo. Non penso ti serva, ma mi pare doverso dirlo.

Un bel diodo in antiparallelo e risolviamo pure quello :ok:
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[6] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto UtenteElidur » 11 gen 2021, 0:17

Grazie Pioz, il tuo intervento è interessante anche perché mi sembra completo anche per il calcolo dei componenti di polarizzazione. Convengo sull’inadeguatezza del circuito n° 2 ma così l’ho trovato e così l’ho postato ma anche se fosse regolabile in tensione, la corrente di zener sarebbe la stessa del transistor e non ha senso. Non ho ben capito cosa intendi quando ti riferisci al diodo da 0,6V, potresti approfondire un po’ di più il concetto perché magari si può sistemare. Poi cosa ne pensi dei trimmer di regolazione? Il mio timore è che possa scorrere troppa corrente e sia necessario mettere potenziometri a filo, il che vanificherebbe l’opzione… Poi cercherò di capire anche la variante che hai introdotto circa lo schema di Edgar, ma una cosa alla volta altrimenti mi perdo…
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[7] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto UtenteElidur » 11 gen 2021, 0:22

Ah, ho visto adesso l'intervento di Edgar circa il diodo ma non dovrebbe servire perché utilizzando un Darlington è già integrato nel "transistor", se ci si riferisce a quel diodo...
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[8] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto Utenteclaudiocedrone » 11 gen 2021, 0:48

No, il discorso del diodo è riferito allo schema col TL431 dove non c'è un Darlington; Foto UtentePioz fa notare che usandolo come Zener di potenza viene a mancare il fatto che uno Zener se visto in polarizzazione inversa è uno Zener, visto in polarizzazione diretta è comunque un diodo "normale", cosa che nel circuito col TL431 non accade; quindi se dovesse servire la soluzione è di aggiungere un diodo in antiparallelo al circuito col regolatore.
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[9] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto UtentePioz » 11 gen 2021, 0:49

Vedo che egar ha precisato. Si, basta un diodo per quello, ma magari non serve nemmeno nella sua applicaizone. Era solo per ricordare a Elidur che uno zener ha due facce :D

Per quanto riguarda il trimmer e la corrente di polarizzazione.
Allora, nello schema 2 il trimmer fa solo da manopola della tensione di uscita in quanto la corrente di base e' imposta dal transistor e dipende ovviamente dalla corrente che fai passare sul collettore. Se sostituissi con il trimmer un cortocircuito non succederebbe niente, perderesti solo la regolazione e il BJT diventerebbe un diodo equivalente con caduta Vbe. Quella si chiama proprio configurazione a diodo.

Negli schemi 1 e 3 invece il ramo di polarizzazione ha solo lo scopo di imporre la tensione di zener, mentre la gensione della potenza e' delegata completamente al BJT. Come si dimensiona quella roba?
Allora, la cosa fondamentale e' che la corrente che scorre sul ramo di polarizzazione sia ben maggiore della corrente di base richiesta dal transistor (a spanne >10 volte). Questo non tanto perche' la trascuri e semplifichi i conti, ma perche' appunto e' un'altra variable che cambia con temperatura e corrente di carico, e tu questo non lo vuoi.
Per soddisfare questo bisogna quindi fare un conto pessimistico di quanto puo' essere la corrente di base massima. Quindi si prende la corrente di collettore massima che vuoi supportare
(quella di uscita praticamente visto che tutta la corrente abbiamo detto se la cucca il transistor), e la dividi per il guadagno minimo \beta che trovi sul datasheet. Essendo un darlighton quel beta sara >100 direi, poi dipende da quanto grosso e' il transisor che ti serve.
Calcolata la corrente di base massima imponi la corrente sul ramo di polarizzazione almeno 10 volte tanto, vedi che sia un valore ragionevole altirmenti ti accontenti di moltiplicarla x5 (la tua semplificazione non e' tanto vera) oppure trovi un transistor con un guadagno di corrente piu' alto, oppure aggiungi un 3o darglinton (in questo caso si aggiunge un'altra Vbe), insomma, vedi tu.
Con beta=100, imponento che la corrente di polarizzazione sia 10 volte quella di base, praticamente significa dire che il ramo di polarizzazione ha 1/10 della corrente di uscita..QUindi 1A totali si dividono in circa 900mA sul BJT e 100mA sul bias...che non sono pochi...

Detto questo poi come si dimensiona il ramo di polarizzazione? Semplice, basta applicare zio kirk.

Prendi lo schema 1. Hai che Vout = Vz + Ibias*Rtrimm. Sapendo quindi Ibias e Vz calcoli Rtrimm.
Come imponi Vz? Semplice, dalla tensione minima che vuoi in uscita che sara' Vz + Vbe.

Nello shcema 3 metti Vz=0 e il ragionamento e' los tesso
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[10] Re: Circuiti zener di potenza equivalenti e regolabili

Messaggioda Foto UtentePioz » 11 gen 2021, 0:59

Ah, dimenticavo di precisare che negli schemi 1 3 ovvimamente la corrente Ibias dipende anche da Vout, quindi da come regoli il circuito. Essendo che per ipotesi abbiamo detto che la corrente deve essere n volte quella di base, questa ipotesi va verificata nel caso peggiore, quindi quando Ibias e' minima, quindi quando Vout e' minima.
Ovviamente pero' devi vedere cosa succede quando sali con Vout, in quanto anche Ibias sale e quindi devi dimensionare zener e trimmer affinche' sostengano la corrente massima ammissibile.

Poi, ripensandoci un attimo sulla cosa mi e' venuto in mente che il trimmer sarebbe meglio dividerlo in una resistenza fissa e una variabile cosi' da avere anche una regolazione massima.
Altrimenti se tu imponi R2 = 0 il BJT resta sempre spento e il circuito non fa piu' da zener
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