Sursa de Tensiune In Comutatie

Cuprins

Capitolul I. Surse de tensiune continua in regim liniar……………………..4

1.1.Generalități…………………….4

1.2.Stabilizatoare de tensiune paralel…………………….6

1.3.Stabilizatoare de tensiune serie………………………..10

1.4. Stabilizatoare de tensiune integrate………………………12

Caapitolul II. Surse de tensiune continua in regim de comutatie…………………………….16

2.1. Convertorul cu transfer direct de energie -BUCK-………………17

2.2.Convertorul cu transfer indirect de energie -BUCK-BOOST-…………………..20

2.3. Metode și circuite de comandă pentru surse de tensiune în comutație………………………………23

2.4. Protecția surselor de tensiune în comutație………………….24

Capitolul III. Analiza comparativa intre stabilizatoarele de tensiune liniare si cele in comutatie……………………………28

Capitolul IV. Convertorul C.C.-C.C. cu transfer direct de energie……………………………..31

4.1.Introducere………………………………..31

4.2.Convertorul C.C.-C.C. –principiu de bază………………33

4.3.Convertorul STEP-DOWN(BUCK)……………………….35

CAPITOLUL I

SURSE DE TENSIUNE CONTINUĂ

ÎN REGIM LINIAR

Generalități

Stabilizatoarele reprezintă circuite electronice, care se conectează între sursa de alimentare și consumator, având rolul de a menține constante tensiunea sau curentul consumatorului, în raport cu variațiile tensiunii sursei, ale rezistenței sarcinii, ale temperaturii ambiante și ale altor factori perturbatori.

Etajele stabilizatoare se împart în doua familii principial diferite, după modul de acțiune a elementului regulator:

-stabilizatoare liniare;

-stabilizatoare în comutație.

Stabilizatoarele liniare de tensiune se împart, funcție de modul de conectare a elementului regulator în:

-stabilizatoare serie;

-stabilizatoare paralel.

Important, pentru funcționarea oricărui tip de stabilizator de tensiune serie sau paralel, este existența unei tensiuni fixe, numită tensiune de referință. Etajul stabilizator, compară permanent valoarea tensiuni de ieșire (tensiune stabilizată) cu tensiunea de referință. Această comparație are ca rezultat obținerea unei tensiuni numită tensiune de eroare.

Tensiunea de eroare comandă, funcție de modul ei de variație, modificarea valorii rezistenței echivalente a unui element activ numit element regulator.

Rezultatul modificării rezistenței echivalente a elementului regulator este menținerea constantă a valorii tensiunii de ieșire, deci efectul de stabilizare.

În cazul în care, tensiunea de eroare nu are amplitudinea suficientă pentru comanda elementului regulator se intercalează un etaj amplificator în curent continuu. Acest etaj, se numește amplificator de eroare și are rolul de a amplifica și prelucra tensiunea de eroare, pentru comanda corectă a elementului regulator.

În continuare este prezentat pe scurt principiul de funcționare a unui stabilizator paralel și a unui stabilizator serie. Elementul regulator paralel este figurat printr-o rezistență variabilă, conectată în paralel cu rezistența de sarcină.

Funcționarea etajului stabilizator paralel prezentat în figura 1.1 este următoarea:

Fig.1.1. Schema bloc a unui stabilizator paralel

La creșterea tensiunii de intrare, curentul prin rezistența R crește, elementul regulator paralel își micșorează rezistența preluând creșterea de curent și păstrând constante tensiunea și curentul prin sarcină. La scăderea tensiunii din intrare curentul prin rezistența R scade, elementul regulator paralel își mărește rezistența preluând scăderea de curent, păstrând tensiunea continua pe sarcină constantă.

În cazul în care se modifică rezistența de sarcină, în condițiile unei tensiuni constante la intrare curentul prin rezistența serie R fiind constant, rezistența elementului regulator se modifică în sens invers, cu variația rezistenței de sarcină, preluând variațiile de curent din rezistența de sarcină, păstrând tensiunea pe sarcină constantă.

Rezistenta serie R ,numită și rezistență de balast, contribuie la realizarea stabilizării, preluând variațiile tensiunii de intrare, în același timp având și un rol de protecție pentru elementul regulator paralel.

În figura 1.2 este prezentată schema de principiu a unui stabilizator serie. Elementul regulator serie este figurat printr-o rezistență variabilă, el fiind plasat în serie cu rezistenta de sarcină.

Fig.1.2. Schema bloc a unui stabilizator serie

Modificarea rezistenței elementului regulator serie este comandată de tensiunea de ieșire (Us). Astfel, de exemplu, la creșterea tensiunii de intrare, tensiunea de ieșire are o tendință de creștere și printr-o comandă corespunzătoare rezistența elementului regulator crește, readucând valoarea tensiunii de ieșire la valoarea inițială. La scăderea tensiunii de intrare acțiunea este inversă și rezistența elementului regulator serie se micșorează, păstrând tensiunea de ieșire constantă.

În cazul, în care se modifică valoarea rezistenței de sarcină, de exemplu, în sensul de creștere, apare tendința de creștere a tensiunii de ieșire. Comanda se transmite elementului regulator serie, care, mărindu-și rezistența, micșorează curentul prin sarcină, păstrând constantă tensiunea de ieșire.

1.2. Stabilizatoare de tensiune paralel

Cel mai simplu stabilizator de tensiune paralel este cel realizat cu ajutorul unei diode ZENER .Acest tip de stabilizator se numește și stabilizator parametric, deoarece utilizează caracteristica tensiune-curent a diodei ZENER fără să mai recurgă la circuite suplimentare de comandă. I

Ui0 Ui1 Us=Uz

U

Iz1

Iz0

a b

Fig.1.3. a).Stabilizator cu diodă ZENER

b).Caracteristica curent tensiune a diodei ZENER

Rezistența de balast este astfel aleasă, încât curentul prin ea (IR) să fie mai mare decât curentul necesar în sarcină (IS), diferența fiind curentul impus de funcționarea diodei în zona ZENER (IZ). Curentul prin dioda ZENER este limitat de puterea maximă disipată a diodei, care se poate întâlni la întreruperea accidentală a sarcinii. In aceste condiții dioda nu trebuie să se distrugă , prin puterea disipată în joncțiune. Modificarea tensiunii de intrare are ca efect deplasarea dreptei de sarcină, paralel cu ea însăși (figurată punctat în figura 1.3.b) modificându-se în mod corespunzător și curentul prin dioda ZENER. Tensiunea stabilizată se păstrează constantă, fiind egală cu tensiunea ZENER a diodei DZ .

Dezavantajele stabilizatorului de tensiune echipat cu diodă ZENER sunt următoarele:

-modificarea tensiunii stabilizate cu variația temperaturii ambiante;

-modificarea în limite largi a curentului prin dioda ZENER , o dată cu modificarea tensiunii de alimentare.

Diodele ZENER cu tensiuni sub 5V au un coeficient de variație a tensiunii cu temperatura, de valoare negativă , iar cele peste 6V au acest coeficient pozitiv. Este deci recomandat, ca atunci când se dorește o modificare minimă a tensiuni stabilizate cu temperatura, să fie utilizate montaje stabilizatoare paralel, cu diode ZENER de 5-6V, sau utilizarea unor diode ZENER compensate termic.

Pentru diodele ZENER, cu coeficient de variație cu temperatura pozitiv, se pot monta în serie cu dioda ZENER, diode cu siliciu, în conducție directă, care au un coeficient de variație a tensiunii directe cu temperatura, negativ de -l,5mV/°C la un curent de 10 mA.

Pentru compensarea celeilalte deficiențe, se poate înlocui rezistența de balast printr-un generator de curent constant (figura 1.4.).

Fig.1.4. Stabilizator de tensiune paralel care utilizează în locul

rezistenței de balast un generator de curent constant

Tranzistorul T are montat între bază și intrare o dioda ZENER, care menține constantă căderea de tensiune pe R1 și deci și curentul prin tranzistorul T. Acesta împreună cu rezistența R1, au înlocuit rezistența de balast. Astfel, la modificarea tensiunii de intrare, curentul prin dioda Dz1 (stabilizatorul paralel), se menține constant, modificându-se tensiunea emitor-colector a tranzistorului T.

În cazul în care avem nevoie să stabilizăm curenți mult mai mari, decât cei admiși de dioda ZENER, se poate utiliza un stabilizator paralel cu un tranzistor.

Fig.1.5.Stabilizator paralel echipat cu tranzistor

a). cu tranzistor NPN; b). cu tranzistor PNP

În aceste condiții se pot stabiliza curenți de ori mai mare decât curentul prin dioda ZENER, fiind factorul de amplificare în curent a tranzistorului stabilizator paralel.

Modul de funcționare este următorul: la creșterea tensiunii de intrare, prin rezistența de balast RB se transmite la ieșire creșterea de tensiune. Crescând tensiunea de ieșire US, această creștere de tensiune se transmite prin dioda ZENER Dz (fîg.1.5.) în baza tranzistorului T , mărindu-se tensiunea bază-emitor. Tranzistorul se deschide mai puternic mărind curentul prin rezistența de balast și readucând tensiunea de ieșire la valoarea inițială.

Pentru micșorarea tensiunii de intrare procedeul este invers, rezultând o micșorare a curentului prin tranzistor deci prin RB .

Pentru montajele din figura 1.5., tensiunea de ieșire, pe sarcina US are valoarea US=UZ+UBE=UZ+0,7V

Un alt avantaj al stabilizatorului paralel cu tranzistor, este reducerea rezistenței dinamice a stabilizatorului ( rezistența de ieșire ) de ori.

Desigur, se poate merge și mai departe, la puteri și mai mari, înlocuind tranzistorul stabilizator paralel cu configurație DARLINGTON, la care factorul de amplificare în curent () este egal cu produsul factorilor de amplificare în curent ale tranzistoarelor utilizate (fig.1.6.).

Fig.1.6. Stabilizator paralel de putere cu două tranzistoare

în montaj DARLINGTON

Stabilizatoarele paralel prezentate, nu au posibilitatea reglării tensiunii de ieșire. Prin introducerea unui potențiometru în paralel cu dioda ZENER, la stabilizatoarele paralel cu tranzistoare, se poate regla tensiunea de ieșire în limite destul de largi (figura 1.7.).

Fig.1.7.Stabilizator paralel cu tranzistor cu tensiune de ieșire reglabilă

O variantă îmbunătățită a stabilizatorului paralel este stabilizatorul cu reacție prezentat în figura 1.8.

Fig.1.8. Stabilizator paralel cu reacție

În schema de principiu prezentată, tranzistorul T1 este elementul regulator paralel, tranzistorul T2 este amplificatorul de eroare , iar dioda ZENER este elementul de referință. La creșterea tensiunii de intrare tensiunea în sarcină va crește. Prin divizorul R4, P ,R5 se transmite în baza tranzistorul T2 o fracțiune din creșterea de tensiune de la ieșire .Tensiunea din emitorul lui T2 fiind fixă, dată de elementul de referință Dz, apare o creștere a tensiunii bază-emitor a tranzistorului T2, curentul de colector crește, tensiunea pe R2 crește și deschide mai puternic tranzistorul T1. Crescând curentul prin T1, crește curentul prin rezistența de balast RB, mărind căderea de tensiune pe RB și readucând tensiunea de ieșire la valoarea inițială.

1.3. Stabilizatoare de tensiune serie

Stabilizatoarele de tensiune serie au elementului regulator dispus în serie cu tensiunea de ieșire.

Fig.1.9. Schema de principiu a unui stabilizator de tensiune serie

Cel mai simplu montaj de stabilizator serie de tensiune este cel de realizat cu un tranzistor și o dioda ZENER.

Tensiunea de ieșire stabilizată Us are valoarea : US=UZ-UBE=UZ-0,7V

La creșterea tensiunii de intrare, se transmite la ieșire creșterea de tensiune ,în emitorul tranzistorului T. Deoarece tensiunea în bază este fixă (dată de elementul de referință Dz) tensiunea bază-emitor are o tendință de scădere, ducând la creșterea rezistenței colector-emitor a tranzistorului T și readucerea tensiunii de ieșire la valoarea inițială.

Tranzistorul T lucrează ca o rezistență variabilă modificându-și valoarea, funcție de comanda pe care o primește.

De exemplu, dacă tensiunea pe sarcină are o tendință de scădere prin micșorarea valorii rezistenței echivalente a sarcinii, tensiunea din emitorul tranzistorului T scade, mărindu-se tensiunea baza-emitor. Tranzistorul T se deschide mai puternic, își micșorează rezistența colector-emitor și va debita un curent mai mare în sarcină, readucând valoarea tensiunii de ieșire la valoarea inițială .

Din cele prezentate se desprinde un mare avantaj al stabilizatorului de tensiune serie, comparativ cu stabilizatorul paralel și anume că funcție de necesitățile consumatorului, alimentat de la tensiunea stabilizată, se modifică și curentul absorbit de stabilizator din sursa de alimentare, în timp ce stabilizatorul paralel consumă permanent același curent, indiferent de modificarea valorii rezistenței de sarcină.

Dacă se dorește stabilizarea unor curenți mari, se pot utiliza în locul tranzistorului regulator serie doua tranzistore în montaj Darlington, utilizând un tranzistor de putere de tip NPN (figura1.10.a) sau un tranzistor de putere tip PNP (figura 1.10.b).

Fig.1.10. Stabilizator de tensiune serie în montaj DARLINGTON

a). cu tranzistor de putere NPN; b). cu tranzistor de putere PNP.

Pentru stabilizarea unor tensiuni de ieșire reglabile, în condițiile unor consumuri variabile se utilizează stabilizatoare serie cu reacție (figura 1.11.).

Fig.1.11. Stabilizator de tensiune serie, cu tensiune reglabilă

Tranzistorul T1 este elementul regulator serie , dioda ZENER Dz este elementul de referință (tensiunea de referință) tranzistorul T2 este amplificatorul de eroare. Rezistența R1 este rezistența de colector a tranzistorului T2 .Rezistenta RZ polarizează dioda ZENER Dz, stabilindu-i un curent de funcționare în zona de stabilizare. Divizorul R2 ,P, R3 polarizează baza tranzistorului T2 , cu o tensiune direct proporțională cu valoarea tensiunii de ieșire.

Presupunând că tensiunea de intrare scade, la ieșire apare o tendință de scădere, transmisă prin T1.

Scăderea tensiunii de ieșire se transmite prin divizorul R2,P,R3 în baza tranzistorului T2, care are tensiunea din emitor fixă. Tensiunea bază-emitor a tranzistorului T2 scade , curentul de colector scade , iar tensiunea din colector, are o tendință de creștere . Tensiunea din colectorul lui T2 este chiar tensiunea de bază a tranzistorului regulator serie T1. Crescând tensiunea de bază, crește tensiunea bază-emitor a lui T1,care se va deschide mai puternic, micșorând-și rezistența colector emitor și readucând tensiunea de ieșire la valoarea inițială.

În cazul în care tensiunea de la intrare crește, fenomenele sunt inverse, rezistența colector-emitor, a tranzistorului T1 crește și tensiunea de ieșire se păstrează constantă.

În situația în care apar modificări ale valorii rezistenței de sarcină, deci tendința de modificare a tensiunii de ieșire, stabilizatorul reacționează în sensul menținerii constante la valoarea inițială a tensiunii de ieșire.

Din potențiometrul P, se poate modifica valoarea tensiunii de ieșire în limite largi și se poate regla la valori foarte precise ,aceasta nefiind dependentă de toleranțele componentelor din schemă.

Plecând de la schema de principiu a unui stabilizator de tensiune serie, se pot aplica îmbunătățiri pentru mărirea factorului de stabilizare și a curentului maxim debitat în sarcină.

În figura 1.12. sunt prezentate două îmbunătățiri:

-utilizarea unui montaj DARLINGTON ca element regulator serie;

-introducerea unui diode ZENER suplimentare Dz2, pentru creșterea factorului de stabilizare, în acest mod, în baza tranzistorului T3 nu se mai transmite numai o fracțiune din variația tensiunii de ieșire, ci aproape întreaga variație.

Fig.1.12.Stabilizator de tensiune serie, cu trei tranzistoare

și cu performanțe îmbunătățite

1.4. Stabilizatoare de tensiune integrate

În general, stabilizatoarele de tensiune de construcție monolitică se încadrează în categoria stabilizatoarelor de tensiune cu reacție, fiind alcătuite din următoarele elemente constructive:

-sursă de referință VREF;

-amplificator de eroare AE (de mare câștig în tensiune);

-element de reglare serie ERS (de obicei un tranzistor de putere);

-circuitul de limitare a curentului de ieșire (sau elemente de control a curentului de ieșire);

Elementul de reglare serie are rolul de a prelua diferența de tensiune variabilă dintre ieșire și intrare, permițând astfel menținerea unei tensiuni VS constante. El conduce curentul de sarcină de valoare importantă, astfel că pe el se disipă o putere de care trebuie ținut cont la dimensionarea stabilizatorului.

Cele mai multe regulatoare integrate includ un circuit de pornire care are rolul de a asigura stabilirea surselor de curent ale circuitului de polarizare în stare normală.

Există multiple moduri de amplasare a unei configurații de stabilizator de tensiune monolitic, în continuare se vor analiza două topologii de circuite de stabilizare, care diferă prin modul de conectare al amplificatorului de eroare (montaj neinversor și repetor) și circuitele de limitare standard ale curentului de ieșire, precum și un stabilizator în regim flotant.

1.4.1. Configurația standard de stabilizator cu V0>VREF

Schema echivalentă a circuitului este prezentată în figura 1.13.

Fig.1.13. Configurația standard de stabilizator de tensiune cu V0>VREF

Presupunând pentru amplificatorul de eroare ca fiind valabil modelul AO neinversor, tensiunea de ieșire va fi:

(1.1)

1.4.2. Configurația standard de stabilizator cu V0<VREF

Schema echivalentă a circuitului este cea din figura 1.14.

Fig.1.14. Configurația standard de stabilizator cu V0<VREF

Performanțele stabilizatorului se calculează cu ajutorul următoarei ecuații(presupunând valabil modelul de AO repetor):

(1.2)

1.4.3. Stabilizator în regim flotant

Schema echivalentă a circuitului este cea din figura 1.15.

Fig.1.14. Configurația standard pentru stabilizator în regim flotant

Valoarea tensiunii de ieșire va fi:

(1.3)

(1.4)

(1.5)

(1.6)

Alegem : R3=R4 (1.7)

(1.8)

Sursele stabilizate liniare sunt caracterizate printr-un randament scăzut (mai mic decât 70-80 %), care este cu atât mai mic cu cât tensiunea de ieșire este mai mică decât tensiunea de intrare. Stabilizatoarele liniare se proiectează pentru valoarea minimă a tensiunii de intrare, creșterea acesteia ducând la o scădere substanțială a randamentului.

CAPITOLUL II

SURSE DE TENSIUNE CONTINUĂ

ÎN REGIM DE COMUTAȚIE

Tehnica de calcul și nu numai necesită alimentarea de la surse de tensiune

cu gabarit cât mai redus , randament ridicat și valoare cât mai stabilă. Sursele

care răspund cel mai bine acestor condiții sunt sursele în comutație.

Sursele de alimentare în comutație funcționează la frecvențe cuprinse între 15-50 KHZ, utilizând tranzistoare de comutație rapidă, de curenți și tensiuni mari.

Comparativ cu sursele liniare, sursele de alimentare în comutație numite și convertoare c.c.-c.c. prezintă următoarele avantaje:

-randament de până la circa 90 %,

-greutate și volum scăzute;

-filtraj superior prin utilizarea unor elemente L,C cu valori scăzute (pulsație reziduală sub 1%);

-stabilizare foarte bună (1-2%) a tensiunilor livrate pe o plajă largă a variației tensiunii de rețea .

Dintre dezavantajele alimentatoarelor în comutație menționam răspunsul mai lent la variații rapide ale sarcinii, radiații perturbatoare mai mari (lucru ce impune măsuri speciale de ecranare și filtrare) precum și prețul de cost ridicat datorită complexității schemelor electrice.

Schema bloc a unui alimentator în comutație este prezentată în figura următoare: 5 T

Ui 1 UR 2 Uc 3 4 RS

Ui=220Vca

50Hz U0

t t

T1 t

T

Fig.2.1. Schema bloc a unui convertor c.c.-c.c.

l-Redresor;2-comutator electronic;3-element de înmagazinare a energiei;

4- redresor+filtru;5-circuit de comandă.

Tensiunea alternativă a rețelei este redresată și filtrată cu blocul (1). Urmează comutatorul (2) echipat cu un tranzistor sau tiristor rapid de putere. Acesta joacă rolul unui întrerupător comutat ON-OFF care comandă circuitul de comandă (5) în ritmul unei frecvențe cuprinse între 15-50 KHZ . Pe intervalul T1 al perioadei T corespunzătoare acestei frecvențe starea comutatorului este ON. Legătura dintre redresor și comutator se realizează astfel un timp limitat reducându-se energia absorbită de la rețea.

Dispozitivul activ care realizează comutarea are deci două stări: blocat (OFF) și saturat (ON). Prima se caracterizează printr-un curent aproape nul, iar a doua printr-un curent important impus de sarcină și o cădere de tensiune la borne aproape nulă. Puterea disipată este astfel mult redusă comparativ cu aceea a unui tranzistor regulator serie dintr-un alimentator liniar unde în permanență curentul de colector IC și

tensiunea UCE sunt de valori relativ mari. Rezultă astfel un randament superior.

Comutatorul este urmat de un element de înmagazinare a energiei (blocul 3) care este constituit în principiu dintr-o inductanță serie, paralel sau transformator. Deoarece curentul de la rețea este absorbit intermitent, este necesar un redresor și o celulă de filtraj (blocul 4) care furnizează tensiunea continuă UQ aplicată sarcinii RS.

Pentru a obține la ieșire o tensiune continuă stabilizată , se utilizează un circuit de reglare automată, a duratei de conducție a elementului comutator (5) prin intermediul căruia se realizează „cuplarea" redresorului tensiunii de rețea la sarcină pe durate variabile care depind de mărimea tensiunii rețelei și a sarcinii.

Reglajul se efectuează fie prin modificarea duratei impulsurilor de comandă , (a deschiderii comutatorului) la o frecvență constantă, fie prin modificarea frecvenței de repetiție a impulsurilor .Totodată circuitul de comandă permite reglajul manual al tensiunii de ieșire U0.

Prin alegerea unor frecvențe de lucru ultrasonore, reactanțele inductive de înmagazinare a energiei au un gabarit de 5-10 ori mai mic față de situația când funcționarea ar avea loc la 50 Hz, iar filtrarea tensiunilor continue se face cu ușurință prin condensatoare electrolitice de valori mici.

În general sursele de tensiune în comutație se bazează pe principiul de funcționare al convertoarelor c.c.-c.c.. Acestea se împart în două categorii principale după modul de transfer a energiei de la rețea către consumator:

-convertoare cu transfer direct de energie –BUCK;

-convertoare cu transfer indirect de energie –BUCK-BOOST.

2.1. Convertorul cu transfer direct de energie -BUCK-

La acest tip de convertor energia este în mod simultan stocată în inductanță de înmagazinare serie și transferată sarcinii pe durata de conducție a elementului de comutare . Schema de principiu și formele de undă specifice sunt prezentate în figura 2.2., de mai jos:

Fig.2.2.a Convertor cu transfer direct de energie

Ucomandă

UCE t

T1 T2

UL t

U1-U2

IC t

U2

ID t

I

t

t

Fig.2.2.b. Forme de undă pentru convertorul BUCK

1-tensiunea de comandă

2-tensiunea pe tranzistor (colector-emitor)

3-tensiunea pe bobină

4-curentul prin tranzistor

5- curentul prin diodă

6- curentul prin bobină

Comanda tranzistorului comutator T se realizează prin aplicarea unor impulsuri ale curentului de bază ca în figura 2.2.b. Pe durata T1 , tranzistorul este saturat iar pe durata T2 este blocat, rezultând pentru tensiunea UCE forma din figura 2. 2.b.

Atunci când tranzistorul conduce, dioda D este blocată de tensiunea redresată U1, (ce este pozitivă). Circulația curentului de colector este prezentată cu linie plină ca în figura 2.2.b. El se închide prin sarcina RS și condensatorul CF care se încarcă. În inductanță se înmagazinează energie magnetică. Tensiunea aplicată la bornele inductanței L pe durata T1 este o tensiune continuă egală cu U1-U2 care determină prin ea (datorita fenomenului de autoinducție) o creștere liniară având o variație totală:

(2.1)

În momentul blocării tranzistorului, datorită fenomenului de autoinducție curentul va tinde să-și păstreze sensul de conducție prin L, iar tensiunea la bornele bobinei se inversează ca semn . Dioda D intră în conducție și energia magnetică stocată se transferă sarcinii sub forma unui curent liniar descrescător. Variația totală a acestui curent pe durata T2 este :

(2.2)

Datorită periodicității fenomenelor, după o durată care cuprinde un număr de cicluri, se ajunge la o stare de echilibru caracterizată prin egalitatea:

Numărul de cicluri depinde de valoarea condensatorului de filtraj CF. În regim staționar va rezulta:

(2.3)

sau (2.4)

Aceasta arată că dacă se variază durata de conducție a tranzistorului, se poate controla valoarea tensiunii de ieșire.

Randamentul general al unui astfel de convertor este de circa 80% iar gradul de stabilizare de circa ceea ce înseamnă ca la o variație a tensiunii de rețea cuprinsă între 180V și 260V tensiunea de ieșire variază cu circa 1% (148,5-151,5V). Tensiunea la ieșirea unui convertor cu transfer direct este întotdeauna mai mică ca aceea de la intrarea lui. De asemenea el poate funcționa fără a se defecta chiar în lipsa sarcinii.

Avantajul principal al acestui tip de convertor constă în faptul că o parte din energie este transferată sarcinii când tranzistorul este deschis (saturat). Aceasta duce la solicitări mai reduse ale tranzistorului, diodei, condensatorului de ieșire și bobinei de șoc. Dintre dezavantaje menționăm : nu se poate realiza o separare galvanică a sașiului de rețea și faptul că în cazul scurtcircuitării tranzistorului (C-E), întreaga tensiune de intrare se aplică circuitelor de sarcină.

2.2.Convertorul cu transfer indirect de energie -BUCK-BOOST-

Acest convertor este caracterizat de faptul că energia este în întregime stocată în bobina de șoc când comutatorul este în conducție, ea transferându-se sarcinii pe perioada de blocare a acestuia. Din acest motiv convertorul se mai numește și convertor cu inductanță de înmagazinare paralel.

Schema de principiu și formele de undă sunt prezentate în figura 2.3.

Fig.2.3.a. Convertor cu transfer indirect de energie

Pe durata T1 a impulsului pozitiv de comandă, tranzistorul T este adus în conducție (saturație). Tensiunea redresată U1 determină un curent de colector care se închide prin inductanța L unde se înmagazinează energie magnetică. Curentul are o formă liniar crescătoare cu o variație totală de :

(2.5)

Ucomandă

UCE t

T1 T2

UL t

U1 U1

IC t

U2

ID t

I

t

t

Fig. 2.3.b. Forme de undă pentru convertorul BUCK-BOOST

1-tensiunea de comandă; 2-tensiunea pe tranzistor (colector-emitor); 3-tensiunea pe bobină; 4-curentul prin tranzistor; 5- curentul prin diodă; 6- curentul prin bobină

În momentul blocării tranzistorului, curentul prin bobină (datorită fenomenului de autoinducție) tinde să-și mențină sensul și tensiunea la bornele bobinei se inversează. Dioda D se va deschide permițând transferarea energiei magnetice înmagazinate spre sarcina Rs și condensatorul de filtraj CF sub forma unui curent liniar descrescător care area o variație totală:

(2.6)

După un număr de cicluri care depinde de valoarea capacității CF, se ajunge în regim staționar fiind valabilă egalitatea:

(2.7)

Rezultă: (2.8)

Pe baza acestei relații se poate trage concluzia că dacă se variază factorul de umplere al impulsurilor de comanda în mod convenabil, atunci tensiunea de ieșire poate fi făcută independentă de cea de intrare .

Din principiul de funcționare și formele de undă prezentate, putem trage următoarele concluzii:

-tensiunea de ieșire U2 poate fi mai mare ca cea de la intrare U1;

-tensiunea suportată de tranzistor pe perioada blocării este U1+U2 lucru ce mărește solicitarea lui;

-datorită faptului că întreaga energie este stocată în inductanță în timpul conducției tranzistorului urmând a fi transferată sarcinii pe perioada de blocare, se impune o creștere a secțiunii miezului magnetic precum și alegerea unei diode de putere convenabilă;

-curentul pulsatoriu rezidual la bornele condensatorului CF este mai mare ca la convertorul cu transfer direct deoarece încărcarea condensatorului are loc numai în timpul conducției diodei;

-nivelul radiațiilor parazite este mai mare datorita creșterii tensiunii UCE și a puterilor comutate mari;

-montajul nu poate funcționa fără sarcină întrucât exista riscul defectării tranzistorului datorită regimurilor tranzitorii care apar pe bobina de șoc;

-în cazul străpungerii tranzistorului, nu există risc pentru circuitele de sarcină întrucât dioda este blocată de tensiunea U1;

-deoarece întreaga energie transferată sarcinii este stocată inițial în bobina de șoc, prin utilizarea unui transformator se poate realiza izolarea galvanică a șasiului față de rețea.

Fig.2.4. Convertor BUCK-BOOST cu separare galvanică

Deși acest tip de convertor prezintă o serie de dezavantaje comparativ cu convertorul cu transfer direct, faptul ca permite separarea galvanica a rețelei față de sașiu îl face mai utilizat.

2.3. Metode și circuite de comandă pentru surse de tensiune în comutație

Comanda surselor de alimentare în comutație se realizează în mai multe moduri. Astfel se întâlnesc:

-comanda prin modificarea frecvenței impulsurilor;

-comanda prin modificarea factorului de umplere;

-comanda prin curent.

În cadrul primei metode controllerul analizează tensiunea de ieșire și comandă tranzistorul prin trenuri de impulsuri de frecvențe diferite.

La comanda prin modificarea factorului de umplere bucla de reacție va modifica factorul de umplere al convertorului, de așa manieră încât mărimea de ieșire (de obicei tensiunea de ieșire, sau cel puțin componenta continuă a ei) să fie menținută constantă. Orice circuit de comandă conține un bloc denumit modulator în durată a impulsurilor, adesea utilizându-se termenul „controller PWM” (Pulse Width Modulation). Elementul central indispensabil din acest bloc este comparatorul. De asemenea, obligatoriu modulatorul PWM conține un semnal de tact care fixează frecvența de comutație a convertorului.

Este cel mai simplu tip de comandă, factorul de umplere obținându-se prin compararea tensiunii de comandă cu o rampă de frecvență fixă. Esențial este că în stabilirea factorului de umplere nu participă decât tensiunea uc și mărimi externe părții de putere din convertor. Semnalul rampă este în acest caz un semnal autonom, liniar, denumit dinte de fierăstrău.

Comanda în curent reprezintă o arhitectură multibuclă: o buclă internă pentru controlul curentului și o buclă externă pentru controlul mărimii de ieșire. Această arhitectură multibuclă conferă comenzii în curent principalul avantaj, și anume o dinamică mai simplă și în consecință o proiectare și performanțe superioare pentru controllerul extern.

Un alt avantaj al comenzii în curent este echilibrarea precisă a curenților a două (sau mai multe) surse în comutație ce debitează pe aceeași sarcină. Este suficient ca aceste surse cu comandă în curent să aibă comună tensiunea de comandă Um.

Există o gamă largă de circuite care implementează comanda în curent. Sursele în comutație cu comandă în curent sunt larg utilizate nu numai în electroalimentare, dar și în aplicații de sudură, electroliză,etc.

Dacă se controlează curentul de ieșire la un convertor BUCK, atunci comanda este utilă într-o aplicație de sudură, electroliză sau în general unde curentul este mărimea utilă în aplicație.

După parametrul curentului controlat există două tipuri de comandă în curent:

-comanda prin curentul mediu, în care parametrul controlat este curentul mediat pe o perioadă de comutație prin dispozitiv;

-comanda prin curentul de vârf, în care parametrul controlat este valoarea curentului de vârf a curentului prin dispozitiv.

Singurul care diferă de la un tip de comandă în curent la altul este controllerul intern de curent.

2.4. Protecția surselor de tensiune în comutație

În proiectarea surselor de tensiune în comutație este necesara dotarea acestora cu circuite de protecție, pentru a evita regimurile de funcționare anormale si cele extreme din punct de vedere al solicitărilor, ce pot apărea în utilizarea acestora. Uzual, în regimurile de funcționare considerate ca fiind periculoase pentru funcționarea surselor de tensiune în comutație se încadrează apariția de scurtcircuite la ieșire, funcționarea în regim de suprasarcina sau apariția de supratensiuni la alimentare. Totodată, în componentele active din componenta surselor de tensiune în comutație sunt supuse la solicitări de putere mari. În condiții de funcționare necorespunzătoare, aceste solicitări pot depăși capabilitățile constructive ale acestor componente, din punct de vedere al puterii disipate pe acestea, rezultând o suprasolicitare a acestora, care va duce inevitabil la distrugerea lor. Luând în considerare aceste aspecte nedorite în funcționarea surselor de tensiune în comutație și ținând cont de faptul că prin simpla proiectare a acestora nu se poate oferi nici un control asupra regimurilor de funcționare considerate periculoase, este necesară încorporarea diverselor circuite de protecție în structura surselor. Protecția surselor de tensiune în comutație poate fi împărțită în patru categorii, ce vor trebui luate în considerare:

-protecția la supracurent,

-protecția la supratensiune,

-protecția la pornire,

-protecția dispozitivelor active de putere.

2.4.1. Protecția la supracurent

Pentru a putea fi realizata limitarea corespunzătoare a curentului sunt necesare a fi utilizate diverse moduri de sesizare a apariției regimului de supracurent. Metoda uzuală prin care se realizează limitarea curentului în funcționarea surselor de tensiune în comutație prevede amplasarea la ieșirea a unui senzor de curent, care printr-o cale de reacție oferă posibilitatea controlării curentului de ieșire. Dacă curentul sesizat are un nivel situat sub un prag considerat limită, bucla de reacție este inactivă, neafectând regimul de funcționare. La depășirea pragului limită de către curentul de ieșire, prin intermediul buclei de reacție va fi deschisă o cale de circuit având o rezistență de valoare ridicată în vederea controlării curentului de ieșire. Cea mai comună metodă de realizare a limitării curentului la o sursă de tensiune în comutație se face prin controlul factorului de umplere al comenzii tranzistoarelor din componența acesteia, în condiții de funcționare limită acestea putând fi blocate.

Protecția la supracurent este necesară pe de o parte pentru a limita solicitările componentelor active ale sursei de tensiune în comutație, iar pe de altă parte pentru a oferi un anumit grad de protecție pentru circuitele sau sistemele alimentate de către aceasta.

Există trei modalități de realizare limitării curentului:

-prima implică anularea tensiunii de ieșire atunci când se depășește o valoare a curentului considerată critică;

-a doua metodă o reprezintă plasarea în serie cu dispozitivul activ al sursei a unei rezistențe de detecție a curentului;

-a treia o reprezintă utilizarea unei rezistențe serie și utilizarea căderii de tensiune de pe aceasta pentru comanda unui tranzistor.

Fig.2.5. Protecția la supracurent

2.4.2. Protecția la supratensiune

Circuitele de protecție împotriva supratensiunilor vor trebui să facă față la trei situații posibile de apariție a acestora:

-tensiune inversă la ieșire;

-supratensiune externă la ieșire;

-supratensiune generată intern.

În primele două situații, soluția cea mai convenabilă de protecție este amplasarea unor diode la ieșire. Protecția împotriva supratensiunilor inverse se face cu ajutorul unei diode având sensul invers față de ieșire, iar cea contra supratensiunilor externe se realizează prin intermediul unei diode Zener având tensiunea la borne superioară valorii nominale de funcționare a sursei de tensiune în comutație. Dimensionarea ambelor tipuri de diode mai sus menționate se va face ținând cont de condițiile impuse de supratensiune.

Este foarte important ca sursa de tensiune, în condiții improprii de funcționare, să nu furnizeze la ieșire nivele foarte ridicate de tensiune, pentru a nu distruge circuitele sau sistemele pe care le alimentează. Protecția împotriva unei astfel de situații se poate face în două moduri:

-în primul mod tensiunea de ieșire este monitorizată de un circuit de control al supratensiunii, ce poate fi realizat cu un comparator. La apariția unei supracreșteri a tensiunii de ieșire, acesta va comanda circuitul de comandă al sursei care va modifica factorul de comandă al dispozitivului activ de putere, mergând până la inhibarea completă a acestuia în situațiile mai severe. O problemă caracteristică acestui mod de protecție o constituie faptul că energia acumulată în condensatorul de filtrare de la ieșire va trebui să fie descărcată pe sarcină, situație în care pot apărea avarii la ieșire.

-al doilea mod de protecție împotriva supratensiunilor ce pot fi generate intern de către sursa de tensiune îl constituie scurtcircuitarea ieșirii. Circuitul de detecție a supratensiunii, la apariția acesteia, va comanda un tiristor care va scurtcircuita ieșirea. Dimensionarea tiristorului din punct de vedere al curentului trebuie să țină cont atât de valoarea curentului de scurtcircuit admis, cât și de curentul de descărcare al condensatorului de filtraj de la ieșire. Prin această metodă, la apariția unei supratensiuni, oprirea sursei se poate realiza într-un interval de timp scurt, de ordinul microsecundelor.

Fig.2.6. Circuit de protecție la supratensiune

O modalitate simplă și versatilă de detecție a supratensiunilor este folosirea unei diode Zener pentru a controla intrarea în conducție a unui tranzistor plasat la ieșirea sursei de tensiune. Folosirea unui comparator integrat este o alternativă de detecție a supratensiunilor, prin compararea tensiunii de ieșire cu o valoare de referință, ieșirea comparatorului modificându-și starea atunci când referința este depășită. Acest tip de detecție este frecvent folosit la monitorizarea stării ieșirilor surselor de tensiune în comutație, în vederea determinării regimului corect de funcționare.

2.4.3. Protecția la pornire

În figura 2.7. este prezentată partea de intrare tipică pentru alimentarea unei surse de tensiune în comutație la care s-a ținut cont de elementele parazite corespunzătoare conectoarelor de legătură și a condensatorului de filtraj.

Fig.2.7. Intrarea de alimentare a unei surse de tensiune

După cum se poate observa, rezistența serie echivalentă a condensatorului are o valoare foarte redusă, iar valoarea capacității este foarte mare. Astfel, la aplicarea alimentării, condensatorul se va comporta practic ca și un scurtcircuit, fapt ce conduce la absorbirea unui curent de valoare foarte mare, până la încărcarea acestuia. Apariția acestor supracurenți, având valori ce depășesc cu mult valorile curenților limită suportați de diodele redresorului, va conduce inevitabil la distrugerea acestora. Totodată, durata de apariție a acestor supracurenți la pornire este foarte redusă, neexistând astfel energia necesară pentru a arde siguranțele de protecție ale sursei. Cea mai defavorabilă situație este reprezentată de închiderea comutatoarelor de alimentare atunci când tensiunea rețelei este maximă, amplitudinea supracurentului ce va fi absorbit la pornire fiind limitată doar de rezistențele și inductanțele conectoarelor, cât și de rezistența serie echivalentă a condensatorului de filtraj, ajungându-se la valori de sute de amperi ale curentului absorbit la pornire.

CAPITOLUL III

ANALIZĂ COMPARATIVĂ ÎNTRE

STABILIZATOARELE DE TENSIUNE

LINIARE ȘI CELE ÎN COMUTAȚIE

Alimentarea circuitelor electronice cu performanțe bune se face prin tensiuni continue stabilizate. Circuitele care produc aceste tensiuni se numesc stabilizatoare de tensiune.

Există două categorii de stabilizatoare de tensiune: liniare și în comutație.

Primele sunt denumite astfel din cauză că tranzistoarele ce realizează reglarea tensiunii de ieșire la valoarea prestabilită lucrează în regim liniar (nu ajung la saturație ori blocare). În al doilea caz, tranzistoarele principale funcționează în comutație, la o frecvență egală sau mai mare de 20 KHz.

Până acum 18 ani nu era practic alternativă pentru alimentarea aparaturii electronice decât aceea a stabilizatoarelor liniare. În prezent se dispune de circuite integrate pentru realizarea ambelor tipuri de alimentări. Deocamdată nu se poate spune că un tip se impune în detrimentul celuilalt, aplicațiile făcând apel la unul sau altul în proporții similare.

Regulatoarele integrate sunt circuite cu cea mai mare răspândire în aparatura electronică după amplificatoarele operaționale. Ele prezintă avantajul că sunt ușor de realizat, iar calculele de dimensionare sunt simplificate în cele mai multe cazuri.

Cele mai frecvente sisteme de alimentare sunt cele „distribuite”, adică o tensiune redresată și filtrată, dar nestabilizată, se aplică fiecărei plăci electronice din aparat, iar aici se folosește un regulator integrat „local” care stabilizează tensiunea la valoarea dorită.

Avantajele alimentatoarelor liniare (incluzând transformatorul de rețea, redresorul și stabilizatorul de tensiune liniar) sunt următoarele:

-sunt mai ușor de realizat (în special când se utilizează regulatoare integrate cu 3-4 pini);

-permit obținerea de tensiuni foarte stabile, inclusiv la variația temperaturii mediului;

-sunt foarte puțin perturbatoare (paraziții radiați și transmiși sunt în general neglijabili);

-prezintă practic un zgomot neglijabil la ieșire;

-au prețul de cost mai redus.

Dezavantajele alimentatoarelor liniare sunt:

-necesită un transformator de rețea greu, voluminos;

-tranzistorul de reglare principal disipă o putere mare și necesită în multe cazuri radiator de gabarit important;

-au randamentul relativ scăzut, în special la curenți mai mari de 1-2A (60 %).

Parametrii și caracteristicile surselor de putere în comutație

Orice circuit sau aparat electronic, pentru funcționare, are nevoie de o sursă de alimentare. Pentru circuitele electronice sau echipamente de mică putere este suficientă, de multe ori, o baterie sau o celulă fotovoltaică. Pentru circuitele electronice de putere mai mare principal sursă de energie este rețeaua de curent alternativ de 50 Hz. La realizarea unei surse de alimentare de calitate, fiabile și cu randament ridicat se au în vedere următoarele cerințe:

-volumul și masa sursei să fie cât mai reduse cu putință;

-stabilitatea în timp și cu temperatura a parametrilor electrici

curent-tensiune;

-nivelul perturbațiilor electromagnetice transmise mediului înconjurător și rețelei de alimentare să fie minim;

-preț de cost cât mai mic.

Exceptând consumatorii alimentați în C.C. de putere mare (motoare electrice de curent continuu, instalații de electroliză, etc.) majoritatea instalațiilor electronice utilizează surse de tensiune de alimentare de tensiune continuă de ordinul zecilor de volți și curenți de câțiva amperi sau, în unele cazuri, zeci de amperi.

Stabilirea unei tensiuni continue se poate asigura fie “înainte de redresor”, menținând constantă tensiunea alternativă de alimentare, fie “după redresor”, intercalând între acesta și sarcină un subansamblu electronic denumit stabilizator de tensiune continuă, capabil să mențină între anumite limite tensiunea constantă. Stabilizatoarele din cea de-a doua categorie au căpătat cea mai mare răspândire, deoarece prezintă avantajul că mențin mai ușor tensiunea constantă la bornele sarcinii, indiferent de perturbațiile care tind să o modifice.

În funcție de modul de comandă al elementului de putere, distingem următoarele tipuri de stabilizatoare:

-stabilizatoare cu acțiune continuă (stabilizatoare liniare);

-stabilizatoare cu acțiune discontinuă (stabilizatoare în comutație).

Sistemele de alimentare cu tensiuni continue bazate pe principiul stabilizării liniare au devenit nepotrivite pentru echipamente electronice, care trebuie să aibă greutate și volum cât mai mic.

Avantajele alimentatoarelor în comutație sunt următoarele:

-transformatorul necesar lucrează în regim de impulsuri și datorită frecvenței ridicate are o dimensiune redusă;

-condensatorul de filtraj are dimensiune redusă, tot datorită frecvenței de lucru ridicate;

-tranzistorul de reglaj, lucrând în comutație, disipă o putere mai mică și eventualul radiator pentru acesta este de dimensiuni reduse;

-au randamentul mai ridicat (81%).

Rezultă, prin urmare, că stabilizatoarele în comutație au gabaritul mai redus decât cele liniare pentru aceleași condiții impuse la ieșire.

Inconvenientele alimentatoarelor în comutație sunt:

-se realizează mai greu decât cele liniare;

-stabilirea tensiunii de ieșire este mai puțin performantă;

-prezintă în tensiunea de ieșire o perturbație cu frecvența de comutație, care poate deranja în funcționare unele circuite alimentate;

-radiază câmp perturbator variabil cu frecvența de comutație care poate deranja în funcționare circuitele învecinate;

-se micșorează randamentul la curenți de sarcină reduși, ceea ce impune realizarea unui regulator cu funcționare prin “salve” (cerință importantă la aparatura portabilă).

Alegerea între alimentatoare liniare și cele în comutație se face în funcție de destinația alimentatorului ce trebuie realizat, de schemele aflate în vecinătate și de prețul de cost.

Se poate spune, simplificând puțin lucrurile, că:

-alimentatoarele în comutație cu transformator sunt folosite întotdeauna când se dorește un câștig în greutate și volum fără prea multe constrângeri de stabilitate a tensiunii și de neperturbare a circuitelor învecinate (exemple: alimentarea calculatoarelor, a consolelor informatice, a televizoarelor, a surselor de putere medie și mare din laboratoare, etc.);

-alimentatoarele în comutație cu bobine comutate sunt folosite pentru a genera tensiuni mai mari sau de semn contrar cu cea redresată (exemple: convertoare din 6V în 12V sau din 5V în 15V, etc.);

-alimentatoarele liniare sunt utilizate întotdeauna când sunt cerute tensiuni forte bine stabilizate (exemple: alimentatoare din laboratoare de testare, alimentatoare pentru scheme electronice pretențioase și performante);

-alimentatoarele liniare sunt utilizate întotdeauna când se impun surse simple, ieftine ușor de realizat, dar de curent de ieșire 1-2A.

-alimentatoarele liniare sunt utilizate atunci când transmiterea de perturbații circuitelor alimentate și învecinate nu este admisă.

CAPITOLUL IV

CONVERTORUL C.C.-C.C. CU TRANSFER

DIRECT DE ENERGIE

4.1.Introducere

Convertoarele C.C.-C.C. sunt echipamente ce transformă energia de curent continuu direct, tot în energie de curent continuu, dar la care se poate modifica valoarea sa medie. Într-un convertor C.C.-C.C., tensiunea continuă de alimentare este convertită tot în tensiune continuă având valoare mai mare sau mai mică, cu aceeași polaritate sau cu polaritate opusă față de tensiunea de alimentare. Acest lucru este realizabil dacă în structura convertorului există o parte care îndeplinește funcția de sistem de comandă și control (Figura 4.1).

Intrare Ieșire

Control Reacție

Referință

Fig. 4.1. Schema bloc a unui convertor de energie

Ele își găsesc aplicabilitatea în construcția surselor de alimentare în comutație, precum și la alimentarea motoarelor de curent continuu. Așa după cum este ilustrat în figura 4.1, blocul de comandă este parte integrantă a sistemului de procesare a puterii cu care este alimentat convertorul.

Rețea

c.a.

Fig. 4.2. Sistem de conversie C.C.-C.C.

Așa după cum rezultă din figura 4.2, convertorul este alimentat, de obicei printrun redresor a cărui tensiune de ieșire nu este stabilizată. Convertorul propriuzis furnizează din tensiunea continuă fluctuantă o tensiune continuă, reglabilă și stabilă ca valoare, în funcție de cerințele consumatorului. Sistemul de conversie prezentat în figura 4.2, poate funcționa atât cu transformator de izolare față de rețeaua de alimentare cât și fără izolare. Obiectul acestui capitol îl constituie analiza comportării convertoarelor fără izolare galvanică, în regim staționar, atât în regim de curent întrerupt (CCM-continuous conduction mode), cât și în regim de curent neîntrerrupt (DCM-discontinuous conduction mode).

Convertoarele C.C.-C.C. sunt de mai multe tipuri:

– convertor STEP-DOWN(BUCK);

– convertor STEP-UP(BOOST);

– convertor STEP-DOWN-UP(BUCK-BOOST);

– convertor CUK;

– convertor în punte.

Din cele cinci tipuri enumerate, numai convertoarele “BUCK” și “BUCK-BOOST” constituie configurații de bază, celelalte fiind combinații ale celor două tipuri menționate.

Randamentul este un parametru esențial în caracterizarea eficienței unui sistem de conversie a energiei electrice. Se urmărește proiectarea și realizarea unor convertoare de energie electrică cu randament ridicat nu numai din considerentul că energia electrică devine pe zi ce trece tot mai scumpă, ci și din faptul că un convertor cu randament redus este impracticabil datorită greutății și gabaritului excesiv de mari.

Creșterea randamentului unui convertor de energie constituie un obiectiv major în obținerea unei puteri la ieșire de valoare cât mai mare. Randamentul este și o măsură a modului în care s-au aplicat tehnologiile cele mai adecvate structurii de convertor aleasă. Dacă se pierde foarte puțină putere pe elementele ce intră în componența convertorului, se poate realiza o distribuție a acestora cu o densitate mare, ceea ce conduce la obținerea unui convertor de dimensiuni reduse, ușor și care nu necesită sisteme speciale de răcire.

4.2.Convertorul C.C.-C.C. –principiu de bază

Un convertor C.C.-C.C. poate controla valoarea medie a tensiunii la bornele unui consumator atât în cazul când tensiunea de la intrare fluctuează cât și în cazul când valoarea consumatorului se modifică. La un convertor C.C.-C.C., cu tensiune de intrare dată, valoarea medie a tensiunii de ieșire se controlează prin modificarea intervalelor de timp, de conducție, respectiv de blocare a comutatorului intercalat între intrare și ieșire. Pentru a ilustra conceptul în baza căruia se realizează conversia C.C.-C.C. să urmărim figura 4.3.

Fig. 4.3.Conversia C.C.-C.C.

Valoarea medie a tensiunii de ieșire U0, depinde de timpii tON și tOFF. O posibilitate de control a acestei tensiuni constă în menținerea constantă a frecvenței (TS= =constant) și ajustarea timpilor de comutare. Prin această metodă, numită metoda de comandă prin modulare în durată, factorul de comandă, , este de fapt factorul de umplere al semnalului cu care se acționează asupra comutatorului.

Se mai cunoaște și un alt procedeu prin care se poate modifica valoarea medie a tensiunii U0, și anume prin modificarea atât a frecvenței de lucru cât și a timpilor de comutare. Această metodă este folosită în cazul convertoarelor cu comutație forțată, în care elementul de comutare este un tiristor.

Semnalul modulat în durată, care acționează asupra comutatorului din figura 4.3, este generat ca urmare a comparării unei tensiuni liniar variabile cu o tensiune continuă. Tensiunea continuă provine în urma amplificării unui semnal de eroare, ce rezultă la rândul lui dintr-o tensiune proporțională cu tensiunea de la ieșirea convertorului.

Factorul de umplere al semnalului rezultat în urma modulării în durată este:

(4.1)

unde uc – este tensiunea de control;

umax– valoarea maximă a tensiunii liniar variabile.

Convertoarele C.C.-C.C. cunosc două moduri distincte de funcționare:

– cu un curent de sarcină neîntrerupt (CCM);

– cu un curent de sarcină întrerupt (DCM).

Proiectarea convertoarelor trebuie să se facă ținând cont de aceste regimuri de funcționare.

4.3.Convertorul STEP-DOWN(BUCK)

Convertorul produce o tensiune de ieșire a cărei valoare medie este mai mică decât a tensiunii de la intrare. Domeniul de aplicabilitate al acestui convertor îl constituie sursele de alimentare pentru modificarea turației motoarelor de curent continuu.

a).

uoi

Ui

ton toff t

TS=1/fS b).

Fig 4.4.Convertorul Buck

În figura 4.4 este prezentat convertorul “BUCK”, care debitează pe o sarcină rezistivă. Considerând comutatorul un întrerupător ideal, se poate calcula valoarea medie a tensiunii de ieșire, U0:

(4.2)

Înlocuind pe din relația (1) avem:

(4.3)

Prin modificarea raportului tON/TS, U0 poate fi controlată. O altă observație care rezultă este că tensiunea U0 variază liniar cu tensiunea uc, ca în cazul amplificatorului liniar.

Un astfel de circuit are însă următoarele dezavantaje:

– în cele mai multe aplicații circuitul de sarcină este inductiv.

Aceasta înseamnă că în procesul de comutație se absoarbe și se disipă o energie inductivă care poate pune în pericol comutatorul.

– tensiunea de ieșire fluctuează între 0 și Ui, ceea ce este inacceptabil pentru foarte mulți consumatori. Problema energiei înmagazinate poate fi depășită prin conectarea diodei de nul, iar fluctuațiile tensiunii de ieșire pot fi reduse printr-un filtru trece jos. Figura 4.b redă forma tensiunii uoi, care constă dintr-o componentă continuă U0 și armonici cu frecvența fs și multipli ai acesteia.

Caracteristica de frecvență a filtrului trece jos este ilustrată în figura 4.c, la care frecvența de tăiere fc (frecvența de colț) este astfel aleasă încât să fie mai mică de câteva ori decât frecvența de comutație. Capacitatea de filtraj este de valoare mare, astfel că . Pulsațiile acestei tensiuni vor fi analizate mai târziu.

4.3.1. Funcționarea cu curent neîntrerupt

a b

Fig4.5. Regimul de curent neîntrerupt. a).comutator închis; b).comutator deschis

Când comutatorul este închis dioda este blocată și comutatorul este parcurs de curentul iL. Pe bobină rezultă o tensiune pozitivă (figura 4.5.a). Tensiunea produce un curent liniar iL. Când comutatorul se deschide, datorită energiei înmagazinate, curentul continuă să circule prin diodă, așa că

În regim permanent:

(4.4)

Adică cele două arii A și B sunt egale.

Ca urmare:

,

sau

(4.5) Relația 4.5 ne arată că tensiunea de ieșire U0 variază liniar cu , dacă Ui este constantă. Neglijând toate pierderile de putere în circuitul de comutație putem spune că , adică:

(4.6)

Trebuie remarcat faptul că în timp ce curentul de ieșire I0 este un curent neîntrerupt, curentul absorbit la intrare este un curent pulsatoriu. Dacă inductanța de filtraj nu are valoare mare, în momentul când dioda de nul este deschisă, se poate întâmpla ca iL să se anuleze înainte de a se da o nouă comandă de închidere a comutatorului.

Notând cu (IL)L curentul mediu prin inductor în condiția limită, de graniță, se poate scrie:

(4.7)

4.3.2. Funcționarea cu curent întrerupt

Putem avea două situații distincte în funcționare, și anume când tensiunea de intrare Ui este constantă și când tensiunea de ieșire U0 trebuie menținută constantă. Ambele situații vor fi analizate în cele ce urmează.

a). Modul de conducție discontinuă cu Ui=constant

În numeroase cazuri se dorește alimentarea unui motor de curent continuu de la o sursă de tensiune constantă, Ui, prin intermediul unui convertor care să producă tensiunea de ieșire variabilă.

Cum , valoarea limită a curentului de regim întrerupt este:

(4.8)

Relație care reprezentată grafic arată ca în figura 4.6.b.

Păstrând Ui, L și TS constante, valoarea maximă a curentului de ieșire pentru care se ajunge la regim de curent întrerupt se obține pentru =0,5. (4.9)

iar

. (4.10)

În continuare vom calcula raportul U0/Ui și vom vedea în ce condiții apare regimul de curent întrerupt, dacă U0 variază.

Spre exemplu, dacă consumul de putere de la ieșire scade (adică RS crește), valoarea medie a curentului prin bobină scade.

În intervalul 2TS când curentul prin bobină este zero, curentul de sarcină este asigurat de condensatorul de filtraj. Tensiunea pe inductanță este zero.

Din diagramă avem:

(4.11)

adică

(4.12)

Tot din diagramă:

(4.13)

iar

(4.14)

Sau

(4.15)

De unde:

(4.16)

Din (4.12) și (4.16) se obține:

(4.17)

Reprezentând grafic se obțin curbe ca în figura 4.6, unde se poate distinge limita dintre regimul de curent întrerupt și regimul de curent neîntrerupt.

Uo/Ui

1 Ui=constant

=1

0,9

0,7

discontinuu 0,5

0,3

0,1

I0/(IL)Lmax

Fig. 4.6. caracteristica convertorului „step-down” la Ui=constant

b).Modul de conducție discontinuă, cu U0=constant

În aplicații, cum ar fi stabilizatoare de tensiune, tensiunea de intrare Ui variază, iar tensiunea U0 trebuie menținută constantă. În cele ce urmează se va determina tensiunea de la intrare la care curentul de sarcină apare neîntrerupt.

Cum tensiunea de ieșire este:

(4.18)

Curentul prin bobină devine discontinuu când este satisfăcută relația 7:

(4.19)

Relația (4.19) arată că dacă U0 este menținută constantă, valoarea maximă a curentului (IL)L se obține când =0, adică:

(4.20)

Trebuie remarcat faptul că funcționarea la =0 și U0 de valoare finită cere ca Ui să fie infinită.

Din relațiile (4.19) și (4.20) rezultă:

(4.21)

La un convertor cu U0=constant, ar fi util de găsit valoarea lui ca funcție de (I0)/(IL)Lmax. Folosind relațiile (4.12), (4.15), (4.20) se obține:

(4.22)

Curba este reprezentată în figura 4.7, pentru diferite rapoarte Ui/U0, menținând U0=constant. Se observă linia de demarcație dintre regimul de curent întrerupt și curent neîntrerupt.

U0=constant

Ui/U0=1,25

1

Ui/U0=2,00

discontinuu Ui/U0=5,00

I0/(IL)Lmax

1

Fig. 4.7. caracteristica convertorului „step-down” cu U0=constant

4.3.3. Pulsațiile tensiunii de la ieșire

În prezentarea anterioară a fost făcută ipoteza simplificatoare în care condensatorul de filtraj era considerat foarte mare, adică era valabilă considerația că u0(t)=U0. Vom calcula pulsațiile tensiunii date de filtru pentru regimul de curent de sarcină neîntrerupt, în condiția în care componentele alternative ale curentului se închid doar prin capacitatea de filtraj. Pulsația, vârf la vârf, a tensiunii pe condensator este:

(4.23)

Cum pe intervalul este valabilă relația:

(4.24)

(4.25)

unde

Relația (4.25) ne arată că amplitudinea pulsațiilor poate fi minimizată dacă frecvența fc a filtrului trece jos este f fS. Se mai observă că amplitudinea pulsațiilor nu depinde de valoarea curentului de sarcină. O analiză similară este potrivită și pentru regimul de curent discontinuu.