Articol publicat in revista Tehnium 3 din 2002
Sursele de tensiune continuă echipate cu tranzistoare (obișnuite sau Darlington) pe post de regulator serie sunt încă foarte răspândite datorită simplității lor, costului redus și ușurinței de procurare a tranzistoarelor de putere, dar mai ales datorită plajelor largi de tensiune și curent – fixe sau reglabile – ce se pot obține cu ajutorul lor.
Ele au însă un dezavantaj major, anume acela că tranzistorul serie este extrem de vulnerabil la scurtcircuitarea accidentală a bornelor de ieșire. O siguranță fuzibilă obișnuită nu asigură, de regulă, protecția la scurtcircuit a tranzistoarelor, fiind prea „leneșă” în comparație cu milisecundele în care se străpung joncțiunile semiconductoare. De aceea, în decursul timpului s-au conceput și perfecționat continuu mai multe tipuri de circuite electronice de protecție, dintre care cel mai simplu și accesibil constructorilor începători este acela cu limitare automată a curentului de ieșire (de sarcină) la o valoare maximă prestabilită, oferind astfel o protecție sigură la scurtcircuit și/sau suprasarcină. Atunci când, din diverse motive, curentul prin rezistența de sarcină Rs tinde să crească peste valoarea maximă prestabilită Imax, circuitul de protecție intervine în sensul blocării tranzistorului serie, stabilindu-se un „echilibru dinamic” care în final are ca efect limitarea curentului de sarcină la valoarea Imax, chiar în situația extremă a unui scurtcircuit accidental al bornelor de ieșire. Această situație poate dura un timp apreciabil, dar nu trebuie să uităm că pe parcursul ei, chiar dacă tensiunea la bornele lui Rs devine practic zero, tranzistorul serie va fi solicitat la maximum din punct de vedere al disipației termice. De aceea, completarea circuitului cu un indicator optic care să semnaleze suprasarcina sau scurtcircuitul la ieșire este bine venită.
La rândul ei, această limitare a curentului la o valoare maximă prestabilită se poate realiza în mai multe moduri, în funcție și de schema concretă a stabilizatorului / variatorului de tensiune continuă pe care vrem să-l protejăm. Una din cele mai simple metode este reamintită în figura alăturată, unde tranzistorul T este regulatorul serie al sursei de tensiune, Rs este rezistența de sarcină și R_B rezistența (echivalentă) care polarizează în conducție baza tranzistorului, iar circuitul de protecție propriu-zis îl constituie componentele suplimentare RE și D1, D2…Dn. Așadar, în serie cu ieșirea sursei (deci în serie cu Rs) se introduce o rezistență RE cu valoarea prestabilită, având rolul de „translator de curent”. Conform legii lui Ohm, curentul de sarcină Is produce la bornele lui RE o cădere de tensiune URE = RExIs, care – așa cum se observă în figură – se însumează cu căderea de tensiune bază-emitor a tranzistorului, UBE. Suma UBE + URE este aplicată în paralel și grupului serie de diode D1 + D2 + … + Dn. Aranjamentul valoric (valoarea lui RE și numărul diodelor, de obicei cu siliciu) este astfel făcut încât grupul serie de diode să înceapă să intre în conducție atunci când intensitatea curentului de sarcină (care circulă prin RE) atinge valoarea maximă prestabilită, Imax. În imediata vecinătate a acestei valori va interveni limitarea automată prin blocarea parțială a bazei tranzistorului („negativată” puțin prin D1, D2,…Dn și Rs), stabilindu-se acel „echilibru dinamic” despre care vorbeam anterior. La echilibru avem:
unde am notat cu UD căderea de tensiune în direct pe o diodă (cu siliciu) la intrarea în conducție.
Ținând cont de expresia amintită a lui URE se deduce ușor valoarea pe care trebuie să o aibă rezistența RE:
În această relație RE rezultă în ohmi dacă UD și UBE sunt exprimate în volți, iar Imax în amperi.
Practic vom realiza rezistorul RE din conductor rezistiv (nichelina, constantan etc.) cu diametrul suficient de mare pentru a suporta fără încălzire periculoasă curentul maxim dorit, iar rezistența lui ohmică RE o vom dimensiona inițial ceva mai mare (0,65-0,75 Ω), urmând a fi stabilită definitiv prin măsurarea experimentală a pragului Imax la care intervine limitarea. Dacă am luat pe RE ceva mai mare, desigur, limitarea se va produce la un curent Imax ceva mai mic. Măsurând curentul de sarcină IS, nu ne rămâne decât să micșorăm treptat (prin tăiere, puțin câte puțin) lungimea conductorului rezistiv al lui RE.
Un alt exemplu practic de utilizare a acestui circuit de protecție este dat în articolul „Variator de turație”, unde tranzistorul regulator serie este de tip Darlington, motiv pentru care s-au folosit trei diode înseriate.
