Stabilizatoare de tensiune – în comutaţie, principiul de funcţionare

2.2.1. Principiul de funcţionare

Un stabilizator de tensiune în comutat ie este alcătuit dintr-un element comutator, un circuit de acumulare şi un circuit de comandă şi control (fig. 2.34).

Tensiunea continuă nestabilizată, v₁, furnizată de sursa primară de alimentare este aplicată la intrare; ea se eşantionează într-o succesiune de impulsuri de frecvenţă ultrasonică şi se aplică circuitului acumulator[1]*, format din condensatorul C₀ şi din inductanţa L. Nivelul tensiunii de ieşire se sesizează prin circuitul de control, care fur­nizează semnalul de corecţie necesar circuitului de comandă; acesta modifică una din caracteristicile formei de undă livrate de comutator (durată impuls, frecvenţă, simplitudine) şi compensează astfel variaţiile tensiunii de ieşire.

S este elementul comutator (de regulă un tranzistor, în unele cazuri un tiristor), comandat sub acţiunea sem­nalului furnizat de circuitul de comandă. Acest comnutator se închide periodic permiţînd aplicarea la intrarea fil­trului LC₀ a unor impulsuri de tensiune a căror amplitu­dine este egală cu tensiunea de intrare v₁ şi a căror dura­tă, t_on depinde de timpul în care comutatorul este închis. Intervalul în cadrul căruia comutatorul S este deschis este egal cu pauza dintre două impulsuri vecine (t_off). În prin­cipiu, un ciclu de funcţionare se derulează în două sec­venţe. Comutatorul permite în prima secvenţă încărcarea elementului acumulator cu energie absorbită de la intrare, în a doua secvenţă se transferă energie din circuitul acu­mulator pe sarcină. Condensatorul C₀ ioacă rolul de rezer­vor principal de curent, el asigurînd debitarea de curent în sarcină şi în intervalul de timp cînd aceasta este izo­lată de intrare prin comutatorul deschis.

Perioada de succesiune a impulsurilor este:

T = t_on + t_off                                       (2.23)

Pentru un filtru LC ideal, pe care nu există cădere de tensiune continuă, valoarea medie a curentului la ieşirea stabilizatorului este:

V₀ = v₁∙ t_on / (t_on + t_off ) = v₁ t_on /T             (2.24)

Din relaţia de mai sus rezultă că, pentru v_t şi T con­stante mărimea tensiunii la ieşirea stabilizatorului V₀ este proporţională cu durata impulsului t_on; raportul dintre du­rata impulsului, t_on şi perioada lui, se numeşte factor de umplere:

γ= t_on /T                           (2.25)

Pentru T=constant, tensiunea la ieşirea stabilizatoru­lui este:

V₀=γv₁                 (2.26)

unde γ<1, ceea ce arată că, în cazul schemei menţionate, tensiunea la ieşirea stabilizatorului va fi totdeauna mai mică decît tensiunea la intrarea lui; aceste stabilizatoare se numesc stabilizatoare de tip coborîtor[2]*.

În fig. 2.35 se prezintă schema de principiu a circuitu­lui acumulator. Comutatorul S se realizează de obicei cu un tranzistor de comutaţie, astfel că V_S=V_CE şi i_r=i_c, V_S şi i₁ fiind căderea de tensiune pe comutator, respectiv curentul absorbit de la intrare.Pe durata t_an comutatorul S este închis (tranzistorul conduce), dioda D fiind polarizată invers, curentul absor­bit de la intrare alimentează condensatorul C₀ şi sarcina. Totodată se stochează energie în bobina L. Curgerea cu­rentului prin circuit, în această secvenţă se indică în fi­gură cu linie continuă.

Pe durata t_off, comutatorul S este deschis (tranzistorul se blochează), tensiunea pe bobină se inversează, dioda D se polarizează în direct şi energia stocată în bobină se transferă în condensatorul C₀ şi sarcină. Curgerea curen­tului prin circuit pe durata t_off se indică în figură cu linie întreruptă.

Dacă se examinează regimul de lucru care se stabi­leşte după un număr mare de „închideri/deschideri” ale întrerupătorului S, atunci tensiunea V_L ce apare pe bo­bina L este egală cu diferenţa dintre tensiunea v₁ şi ten­siunea pe condensator, V_l=v₁—V₀ . În acest timp dioda D este blocată, fiind polarizată în invers. Dacă mărimea instantanee a curentului i_L este mai mică decît curentul prin sarcină, condensatorul C₀ va furniza un curent supli­mentar şi scade uşor. Cînd depăşeşte curentul soli­citat la ieşire, diferenţa de curent încarcă capacitorul, mă­rind V_Ω. Curentul i_L va creşte pînă cînd comutatorul S se deschide. în acest moment, deoarece curentul prin bobina L nu poate să se modifice instantaneu, potenţialul punctului A coboară la —V_D, astfel ca dioda D intră în conducţie, menţinînd în continuare curentul prin inductanţă; dioda D permite trecerea curentului prin sarcină pe durata în care întrerupătorul S este deschis. Deoarece la blocare prin comutatorul S nu mai trece curent ener­gia acumulată în inductanţă va avea tendinţa de a se eli­bera sub forma unei supratensiuni de sens invers, este nevoie ca acestei energii să i se permită să se elibereze prin intermediul unei diode montată în sens invers la intrarea filtrului. Din acest motiv această diodă se nu­meşte diodă de recuperare* cu rolul de a recupera energia acumulată în bobină. Curentul prin bobină scade continuu spre zero pînă cînd întrerupătorul S se închide din nou şi ciclul se reia. Circuitele electronice care completează schema stabilizatorului în comutaţie controlează timpii t_on şi t_off ai întrerupătorului S astfel încît curentul mediu prin inductanţă să fie egal cu curentul prin sarcină, cu­rentul prin C₀ să fie nul şi V₀ să rămînă constant.

Curentul prin bobină, i_L, variază între două limite I_LM şi I_Lm (fig. 2.36). Curentul furnizat la ieşire I₀ rezultă din forma de undă a curentului prin bobină şi este egal cu (I_LM + I_Lm)/2.După valorile pe care le ia în timpul funcţionării cu­rentul i_L, se disting două moduri de lucru:

— modul de lucru cu funcţionare neîntreruptă (per­manentă), cînd curentul i_L nu atinge niciodată valoarea zero,

— modul de lucru cu funcţionare intermitentă, cînd curentul i_L scade la zero într-un timp mai scurt sau egal cu t_off.

Modul de lucru cu funcţionare permanentă este avan­tajos deoarece minimizează efectul variaţiei curentului prin sarcină asupra tensiunii de ieşire. Acest regim de lucru se obţine în momentul în care mărimea inductanţei se alege mai mare decît valoarea critică (L_cr) pentru care I_Lm=0 în momentul anterior închiderii întrerupătorului S. În fig. 2.36 se prezintă formele de undă ale curentului prin circuitul din fig. 2.35.

Regimul de lucru intermitent este neindicat deoarece înrăutăţeşte atenuarea pulsaţiilor (filtrarea) la ieşirea sta­bilizatorului.

Schema funcţională a circuitului de putere al stabiliza­torului în comutaţie de tip coborîtor, conţine patru ele­mente de bază: comutatorul S, inductanţa L, condensa­torul C₀ şi dioda D. Cu aceleaşi componente se poate sin­tetiza un circuit de putere pentru un stabilizator de ten­siune în comutaţie, în care mărimea tensiunii la ieşire V₀  să fie mai mare decît tensiunea de intrare V_I; acest cir­cuit, de tip stabilizator ridicător de tensiune*, se dă în fig. 2.37.

În acest caz la închiderea întrerupătorului S, tensiu­nea de intrare v₁ se aplică pe inductanţa L, prin care în­cepe să treacă un curent i_L, crescător liniar, deoarece con­stanta ele timp a circuitului τ=L/R_l este mult mai mare decît timpul în care întrerupătorul S se menţine închis, în acest interval ele timp dioda D nu conduce, deoarece la bornele el se aplică tensiunea (inversă) V_c, a conden­satorului C₀, încărcat ea rezultat al unui număr mare de comutări anterioare ale întrerupătorului S. Tensiunea pe rezistenţa de sarcină R_S în intervalul t_on este egală cu tensiunea pe condensatorul C₀; tensiunea electromotoare care apare pe bobina L în acest interval de timp este egală cu tensiunea de intrare şi are polaritatea inversă acesteia (polaritate indicată pe schemă fără paranteze).

La deschiderea întrerupătorului S, curentul din bo­bina L nu poate să-şi schimbe sensul instantaneu, in timp ce tensiunea la bornele bobinei îşi schimbă sensul (în sen­sul marcat pe figură în paranteze); această tensiune (de autoinducţie) se înseriază cu tensiunea de intrare. Din acest moment dioda D va conduce, (deoarece la bornele ei se aplică suma dintre tensiunea de intrare v₁ şi ten­siunea obţinută pe sarcină este mai mare decît tensiunea V_L) şi va alimenta condensatorul C₀. Ca atare tensiunea obţinută pe sarcină este mai mare decît tensiunea de intrare, cu o mărime egală cu tensiunea de autoinducţie V_L pe bobina L.

Bobina L în acest tip de stabilizator nu contribuie la reducerea tensiunii de ondulaţie la ieşire (filtrare) ci este componenta în care se înmagazinează energie magnetică pe durata t_on, de deschidere a întrerupătorului S. Această energie, pe durata t_off se însumează cu energia sursei de alimentare şi se transmite sarcinii. Din acest motiv pre­zenţa condensatorului C₀ în schema stabilizatorului este necesară din punct de vedere principial, deoarece el este singura componentă din schemă care asigură menţinerea tensiunii constante pe sarcină în intervalul t_on. Mărimea tensiunii la ieşirea stabilizatorului este legată de tensiunea de intrare, v₁ prin relaţia:

V₀ = v₁ 1/(1-γ)                            (2.27)

Din această relaţie rezultă că tensiunea la ieşirea sta­bilizatorului radicător este totdeauna mai mare decît ten­siunea la intrarea lui; această mărime este cu atît mai mare faţă de tensiunea de intrare, cu cît este mai mare valoarea coeficientului de umplere γ.

Cu ajutorul aceloraşi componente, L, C, D, S, se poate realiza un circuit de putere pentru un stabilizator de ten­siune în comutaţie, a cărui tensiune la ieşire V₀, să aibă polaritatea inversă faţă de polaritatea tensiunii de intrare. Acesta se numeşte stabilizator de tensiune inversor* şi are schema de principiu dată în fig. 2.38.Pentru explicarea funcţionării se consideră circuitul după suficient de multe cicluri de comutare ale întrerupă­torului S, astfel încît schema funcţionează în regim sta­ţionar. La închiderea întrerupătorului S, pe bobina L se aplică tensiunea Vi, prin care trece curentul i_L, liniar crescător. Polaritatea tensiunii pe bobină este menţionată pe figură fără paranteze. În acest timp dioda D este blocată, deoarece pe ea se aplică o tensiune inversă egală cu v₁. Pe durata t_on, cînd tranzistorul conduce (comutatorul S închis) energia se stochează în bobină. Curgerea curen­tului în circuit s-a indicat cu linie continuă.

Pe durata t_0ff, cînd tranzistorul se blochează (comuta­torul S deschis) tensiunea pe bobină se inversează (sem­nul marcat pe figură cu paranteze), dioda D se polarizează direct şi energia stocată în bobină se transferă, pe capacitorul C₀ şi pe sarcină. Curgerea curentului prin circuit, în această secvenţă s-a indicat cu linie întreruptă.

Mărimea tensiunii la ieşirea stabilizatorului, faţă de tensiunea la intrarea sa este dată de relaţia:

V₀=v₁ γ/(1-γ)                      2.28)

Din relaţia de mai sus rezultă că tensiunea la ieşirea stabilizatorului în comutaţie de tip inversor, poate fi, în valoare absolută, mai mare sau mai mică, faţă de tensiu­nea de intrare (funcţie de mărimea factorului de um­plere γ) şi are polaritatea inversă faţă de aceasta.

* Circuitul acumulator are rolul de a înmagazina energie în timpul în care elementul comutator conduce şi de a restitui ener­gie consumatorului cînd elementul comutator este blocat.

*  Step-down voltage regulator (engl.).

* Free wheeling diode, în engleză.

* Step-up switching regulator (engl.). Stabilizatoare de tensiune

* Inverter switching regulator (engl.).