Stabilizatoare în regim de comutaţie – Tehnici de circuit pentru conversia de tensiune cc-cc

4.5.2. Tehnici de circuit pentru conversia de tensiune c.c. — c.c.

Regulatoarele de tensiune de comutaţie conţin blocuri funcţionale care îndeplinesc funcţiile de comandă, con­trol, protecţie şi uneori eşantionarea semnalului colectat din convertorul de tensiune c.c—c.c. Corecţia nivelului ten­siunii de ieşire se realizează, de obicei, prin variaţia facto­rului de umplere al impulsurilor (modulare a duratei im­pulsurilor).

Conversia tensiunii de curent continuu de la intrare în tensiune de curent continuu la ieşire se poate realiza cu o varietate largă de circuite, compuse din comutatoare, bo­bine, condensatoare şi diode în diferite configuraţii.

După maniera de înmagazinare şi transferare a ener­giei absorbite de la intrare la sarcină şi condensatorul C₀ se disting trei tipuri de convertoare de tensiune c.c-c.c.:

• convertoare directe*
• convertoare cu revenire**
• convertoare în contratimp***

În convertoarele de tensiune c.c-c.c. directe pe durata închiderii comutatorului S₁(t_on) energia primită de la in­trare se debitează atît în elementul de acumulare cît şi pe sarcină. Orice supracreştere nedorită de tensiune care apare pe această durată în reţea se va resimţi pe sarcină, Ca urmare, pentru a asigura condiţii de deplină siguranţă în funcţionare, stabilizatoarele de comutaţie cu conver­toare c.c-c.c directe trebuie să conţină suplimentar un tran­sformator de izolaţie faţă de reţea şi o diodă de putere, în caz de scurtcircuit la ieşire tranzistorul comutator tre­buie protejat. Aceste dezavantaje restrîng răspîndirea uti­lizării acestui tip de convertor c.c-c.c.

Pentru un convertor direct c.c-c.c. cu funcţionare neîn­treruptă a curentului prin bobină, (fig. 2.38), în aproxi­maţia neglijării pierderilor, se pot scrie relaţiile:

V₀ = γV₁                                                   (4.108)

L_min = V₀²T/2P_0min [1 – (V₀/V_IM)]                              (4.109)

I_CPK = V₀T/L [1 – (V₀/V_IM)]                                   (4.110)

V_CEMax = V_IM                                                 (4.111)

unde: T este perioada impulsurilor pe comutator,

γ = t_on/T — factorul de umplere al impulsurilor,

I_CPK = Valoarea de vîrf a curentului de colector.

Valoarea minimă a inductanţei bobinei este determi­nată în ipoteza că variaţia curentului prin bobină este de două ori valoarea minimă a curentului mediu necesar la. ieşire I_CB (vezi fig. 2.39. b).

Relaţiile 4.111 şi 4.112 servesc la stabilirea condiţiilor de alegere a tranzistorului de comutaţie.

În convertoarele de tensiune c.c.-c.c. cu revenire (fig. 2.41), pe durata încărcării elementului de acumulare, sar­cina este separată de intrare (dioda D este invers polari­zată). Cum în secvenţa următoare comutatorul 5 este des­chis, rezultă că în timpul funcţionării unui convertor de tensiune c.c.-c.c. cu revenire, intrarea este complet izolată, de sarcină, sau cu alte cuvinte impulsurile de tensiune tranzitorii apărute pe reţea nu se vor transmite pe sar­cină. Dacă se neglijează pierderile în regimul de funcţio­nare neîntreruptă a curentului prin bobină se pot scrie relaţiile:

I₀ = [(I_LM + I_Lm)/2] (1 – γ)                                           (4.112)

V₀ = [γ/(1 – γ)] V_I                                                 (4.113)

L_min = [V_IMV₀/(V_I + V₀)]² T/2P_0min   (4.114)

I_CPK = P_0Max [(V_Imin + V₀)/(V_IminV₀)] + T/2L ∙ [V_IminV₀/(V_Imin + V₀)]     (4.115)

V_CEMax = C_IM + V₀                                                 (4.116)

Se observă că solicitările la care este supus tranzisto­rul comutator în acest tip de convertor c.c—c.c. (rela­ţiile 4.116 şi 4.117) sînt mai intense decît în cazul celui anterior. De asemenea inductanţa necesară pentru bo­bina L şi capacitatea pentru condensatorul C₀ sînt mai mari.

Totuşi, convertorul cu revenire c.c.—c.c. prezintă o serie de avantaje. Izolarea faţă de reţea nu mai necesită un transformator suplimentar. Ea se obţine prin adăuga­rea unei înfăşurări suplimentare pe bobină. Protecţia co­mutatorului la scurtcircuitarea ieşirii la masă nu mai este necesară ea fiind asigurată de’dioda D, care se polari­zează invers.

Un convertor de tensiune c.c.—c.c. în contratimp este alcătuit din două convertoare directe care funcţionează în antifază. În prima secvenţă comutatoarele sînt S₁ — în­chis, S₂ — deschis, ca urmare dioda D₂ va conduce curen­tul. In figura 4.94. a se indică curgerea curenţilor pe du­rata acestei secvenţe. In a doua secvenţă comutatorul este deschis, S₂ închis şi dioda D₁ va conduce curentul spre bobină. Curgerea curenţilor se prezintă în fig. 4.94 b.

În continuare, funcţionarea schemei este similară cu cea descrisă pentru convertoarele directe. Şi aici numai o parte din energia debitată pe sarcină provine din ener­gia stocată în bobina L.

Se remarcă faptul că eficienţa transferului de putere la un convertor în contratimp c.c.—c.c. este superioară comparativ cu a celorlalte tipuri.

Majoritatea subsistemelor integrate, pentru construi­rea de stabilizatoare în comutaţie, comandă un singur co­mutator.

* forward converter (engleză)

** flyback converter (engleză)

*** push-pull converter (engleză)