Stabilizatoare de tensiune – Scheme de principiu

2.2.6. Scheme de principiu

Deoarece stabilizatoarele de tensiune în comutaţie pre­zintă caracteristici de stabilizare inferioare stabilizatoa­relor de tensiune în regim liniar, ele se utilizează adesea ca preregulatoare de tensiune, beneficiindu-se de ran­damentul lor ridicat. Stabilizarea finală a tensiunii se asi­gură cu stabilizatoare de tensiune în regim liniar, în ma­joritatea cazurilor utilizîndu-se aşa-numitele stabilizatoare de tensiune fixă integrate monolitice. Deci schema bloc a unui sistem de alimentare stabilizat cuprinde un stabili­zator de tensiune în comutaţie, urmat de un stabilizator de tensiune în regim liniar, dispus în imediata apropiere a blocului alimentat.

Datorită acestei posibilităţi, pentru alimentarea insta­laţiilor electronice cu mai multe tensiuni de curent con­tinuu a apărut o nouă concepţie: în locul montajului cla­sic cu un transformator cu mai multe înfăşurări secundare, fiecare cu redresorul şi circuitul său de filtrare (fig. 2.45, a) se poate utiliza un transformator cu un singur secundar care furnizează tensiunea cea mai mare cerută de montaj, reducerea tensiunilor la valorile necesare asigurîndu-se cu regulatoare de tensiune în comutaţie (de tip coborîtor), aşa cum se arată în fig. 2.45, b.

Această modalitate de alimentare poate fi utilizată efi­cient în aparatura de gabarit mare, la care distanţele în­tre blocul de alimentare şi diversele subansamble elec­tronice alimentate sînt relativ mari. In acest caz energia este transformată în curent continuu de tensiune rela­tiv ridicată — deci sub intensitate redusă şi pierderi mici pentru aceeaşi secţiune de conductor — şi apoi „trans­formată* la faţa locului” la valoarea dorită (fig. 2.45, b).

Pentru a evita reacţiile nedorite între diversele frec­vente de comutare ale stabilizatoarelor în comutaţie folo­site, într-un astfel de sistem poate fi utilizat un bloc de sincronizare a tuturor stabilizatoarelor. Trebuie menţio­nat faptul că circuitele integrate specializate ca regulatoare de tensiune în comutaţie, dispun prin construcţie de această posibilitate.

Pentru comanda elementului comutator se folosesc două categorii de circuite de comandă:

• circuite cu oscilator de comandă independent (pi­lot);
• circuite autooscilante.

Din punct de vedere practic, a doua categorie de cir­cuite permite realizarea de scheme simple şi economice. Totuşi ele prezintă incovenientul că furnizează la ieşire o tensiune mai puţin bine filtrată, deoarece întreţinerea os­cilaţiilor se realizează prin intermediul tensiunii ondula­torii de la ieşire.

1. a) Stabilizatoare în comutaţie cu oscilator independent

În paragraful de faţă, vom prezenta cîteva scheme de stabilizatoare cu oscilator independent, cu ajutorul cărora se realizează comanda elementului comutator al stabili­zatorului.

Circuitul stabilizator în comutaţie din fig. 2.46 utili­zează un tranzistor unijoncţiune ca oscilator de frecvenţă variabilă, de la ieşirea căruia se comandă tiristorul re­gulator.

Semnalul kV₀, reglabil cu potenţiometrul P, amplifi­cat cu tranzistoarele Q₁, Q₂ se compară cu tensiunea de referinţă de 6 V furnizată de dioda Z₂ din emitorul tran­zistorului Q₂. În funcţie de nivelul tensiunii KV₀, Q₂ va modifica frecvenţa de oscilaţie a tranzistorului Q₃ şi im­plicit durata de conducţie a tiristorului T; în acest mod se reglează nivelul tensiunii V₀ de ieşire.

Schema din fig. 2.47 prezintă un stabilizator de ten­siune în comutaţie, care furnizează la ieşire 20 V la 5 A cu o stabilitate de 0,1% atît la variaţia sarcinii (variabilă între 0 şi 5 A) cît şi la variaţia tensiunii reţelei (în dome­niul ±20%).

Schema conţine cîteva blocuri electronice, aşa cum se poate deduce din figură.

Circuitul oscilator este constituit dintr-un muîtivîbrator asimetric. Constanta de timp de încărcare a condensatorului C₂ determină perioada de conducţie a tranzistoarelor funcţie de tensiunea de eroare. Tranzistoarele Q₂, Q₇ formează un amplificator diferenţial, care compară ten­siunea la bornele divizorului R—R plasat la ieşirea sta­bilizatorului, cu tensiunea de referinţă furnizată de dioda Z₂ alimentată de asemenea la tensiunea de ieşire a stabili­zatorului (punctul B). Ieşirile acestui amplificator dife­renţial, comandă perechea de tranzistoare Q₅—Q₆, care constituie surse de curent pentru încărcarea condensatoa­relor C₂ şi C₃, de care depinde perioada de conducţie a tranzistoarelor Q₃—Q₄ care formează un etaj multivibra- tor astabil. Orice creştere a diferenţei între tensiunea de ieşire şi tensiunea de referinţă are ca efect reducerea perioadei de conducţie a lui Q₄ şi prin urmare cea a tran­zistorului de comutaţie Q₁, acţionat prin intermediul eta­jului de comandă realizat cu tranzistoarele Q₈ şi Q₉.

Pentru ca montajul să poată fi pus în funcţiune este necesar să se apese pe butonul normal deschis S de por­nire. Sistemul acesta asigură şi protecţia montajului în. caz de scurtcircuit la masă, deoarece, în caz de anulare a tensiunii la ieşire, multivibratorul va înceta în mod auto­mat să fie alimentat şi în consecinţă tranzistorul de comu­taţie Q₁ neavînd semnal de comandă pe bază, nu va func­ţiona.

Montajul descris funcţionează pe frecvenţă fixă şi fac­tor de umplere, t_on/t_off, variabil deoarece în momentul în care perioada de conducţie a unuia din tranzistoare se mă­reşte, concomitent a celuilalt se micşorează în mod cores­punzător.

În fig. 2.48 a se prezintă o schemă de principiu cu aju­torul căreia se obţin rezultate similare cu cele anterioare, în. acest caz se compară, în comparatorul C, tensiunea de eroare (ε=V_REF±kV₀) amplificată cu amplificatorul de eroare A, cu o tensiune liniar variabilă (TLV) de frec­venţă fixă. În fig. 2.48, p sînt prezentate formele de undă ale semnalelor la intrarea şi ieşirea comparatorului C. Se observă că impulsurile pozitive la ieşirea comparatorului şi în consecinţă perioadele de conducţie ale tranzistorului în comutaţie vor fi cu atît mai lungi cu cît tensiunea de eroare, Aε, va fi mai mică; în consecinţă în aceste inter­vale de timp va rezulta o creştere a tensiunii la bornele condensatorului de ieşire al filtrului L—C.

Pa baza schemei de principiu din fig. 2.48, vom pre­zenta trei scheme realizate cu componente discrete.

În schema din fig. 2.49, se prezintă un bloc de comandă realizat cu tranzistoare. Tensiunea liniar variabilă este furnizată de un oscilator de relaxare cu tranzistor unijoncţiune (TUJ).

Schema din fig. 2.50 este realizată cu circuite inte­grate.

În fig. 2.51 se prezintă o schemă de stabilizator în co­mutaţie cu tranzistoare bipolare capabil să furnizeze 30 V Ia 50 W, tensiunea la intrare variind între 40 şi 65 V.

Frecvenţa de comutaţie a tranzistorului Q₁ de tipul 2N 3055, este suficient de mică încît randamentul schemei să fie de aproximativ 80%, la o putere disipată pe tran­zistor de 2 … 3 W.

Circuitul foloseşte un tranzistor Q₃, modulator al duratei impulsului de comutaţie, comandat de oscilatorul LC realizat cu tranzistorul Q₄. Tranzistorul comparator Q₅ controlează nivelul de intrare în conducţie al lui Q₃ prin P₁ şi R₉. Emitorul tranzistorului Q₅ este fixat prin R₁₁ la un potenţial fix furnizat de dioda Z, în timp ce pe baza sa se aplică o fracţiune kV₀ din tensiunea de ieşire care trebuie reglată, prin intermediul lui R₁₄, R_l5, P₂. Tranzistorul modulator Q₃ comandă tranzistorul de comutaţie Q₂ printr-un etaj tampon realizat cu tranzisto­rul Q₂ conectat în montaj repetor pe emitor. Tranzistorul Q₆ are rolul de a proteja montajul împotriva unor scurtcircuitări a ieşirii la masă; cînd se produce un scurtcircuit acest tranzistor intră în conducţie şi polarizează tranzis­torul Q₂ astfel încît să blocheze tranzistorul Q₁.

b) Stabilizatoare în comutaţie autooscilante

Pentru a obţine astfel de montaje, mijlocul cel mai simplu este acela de a utiliza scheme de stabilizatoare în regim liniar prezentate anterior (exemplu cel din fig. 2.20) cărora li se adaugă filtrul LC, dioda D şi li se rea­lizează o reacţie pozitivă suficientă pentru a intra în (auto)oscilaţie. Fig. 2.52 prezintă o astfel de realizare; prin linii groase se scoate în evidenţă modificarea menţionată. In felul acesta un stabilizator liniar cu reacţie simplu, la care se asociază elementele L-C şi D, se transformă în stabilizator de comutaţie prin adăugarea unui simplu condensator de reacţie C₁, care transformă amplificatorul de tensiune de eroare constituit din tranzistoarele Q₂-Q₃ într-un multivibrator nesimetric.* Stabilizatorul de tensiune în comutaţie în acest caz joacă rolul unui “transformator”. De exemplu, dacă într-un stabiolizator linear intensitatea curentului de intrare este practice aceeaşi cu curentul de la ieşire, într-un stabilizator în comutaţie, curentul mediu la intrare poate fi sensibil mai mic decît cel de la ieşire, dacă tensiunea de la ieşire este (mult) mai mica decît tensiunea de la intrare. În plus, cum s-a arătat, unele tipuri de stabilizatoare în comutaţie pun în evidenţă posibilitatea de recuperare a energiei (flyback) accumulate la bornele unei inductanţe şi adăugarea acesteia la tensiunea primară de alimentare astfel că e posibil să se obţină o tensiune de ieşire mai mare decît tensiunea la intrare. In ambele cazuri, stabilizatorul în comutaţie se com­portă, în curent continuu, ca un transformator coborîtor sau ridi­cător de tensiune şi aceasta cu un randament care este ap.roxi-> mativ acelaşi cu randamentul unui transformator de curent alter­nativ, de aceeaşi putere.