|
|
|
Stabilizatoare in comutatie cu regulator serie (coboratoare de tensiune)
Principiul de functionare
FIGURA1
Cat timp intrerupatorul este in pozitia ON sursa de intrare asigura un curent iL prin bobina L, curent ce incarca condensatorul C si asigura curentul prin sarcina I03 dioda D este blocata. Ecuatiile caracteristice acestei situatii sunt:
diL/dt= (VI-v0)/L=vL/L; ic=c dv0/dt=iL(t)-v0(t)/RL ; (1)
Cat timp intrerupatorul este in pozitia OFF , energia inmagazinata in bobina permite acesteia sa furnizeze un curent iL off(t). Legea lui Lentz se poate aplica in aceasta situatie deoarece tensiunea de pe bobina isi schimba polaritatea si aceasta devine generator de curent. Dioda D conduce cat timp comutatorul este in pozitia OFF. Energia acumulata in bobina in starea ON este eliberata in starea OFF. Daca este descarcata intreaga energie a bobinei, curentul iL devine 0 si tinde sa se inverseze. Inversarea curentului nu este posibila deoarece dioda blocheaza conductia. In aceasta situatie curentul de iesire este asigurat de descarcarea capacitorului.
Ecuatiile caracteristice situatie OFF cu iL diferit de de 0 sunt:
diL/dt= -v0/L; ic=cdv0/dt=iL-v0/RL; (2) iar cu iL=0 avem ic=cdv0/dt =-v0/RL (3).
Cand comutarea ON -OFF este periodica raspunsul circuitului devine periodic. Daca constanta de timp RC este mult mai mare decat perioada T de comutatie, tensiunea de iesire nu va avea un ciclu mare. In acest caz curentul prin bobina creste liniar in starea OFF. Mai mult ΔiLON= ΔiLOFF . Curentul mediu prin bobina este dat de relatia:
IL=
; V0 = tensiunea medie la
iesire (de cc)
Variatia ΔiL a curentului prin inductor se poate determina din ecuatiile (1). Considerand un riplu neglijabil pentru tensiunea de iesire obtinem:
(5)
Notand cu D raportul dintre ton si T , ecuatia (5)
devine: 
(6)
Functionarea unui astfel de stabilizator poate fi:
-cu operare continua a bobinei cand: 
-cu operare discontinua a bobinei cand: 
Formele de unda ce caracterizeaza functionarea circuitului din figura 1 in cele doua cazuri sunt prezentate in figura 2
FIGURA2
a)OPERARE CONTINUA
Tensiunea de iesie medie V0 este data de relatia:
V0=
D=V0/VI=coeficient de utilizare.
Curentul prin capacitor este:
Ic(t)=iL(t)-v0(t)/RL (10) iar variatia acestuia este: Δic(t)=DiL(t)-Δv0(t)/RL≈ΔiL(t) (11)
Variatia curentului colector este liniara pentru cazul in care riplul tensiunii de iesire este mic.
Presupunand ca incarcarea , respectiv descarcarea capacitorului se face intr-o jumatate de perioada, putem scrie relatia: ΔQC=IC,medT/2 = cΔvC=cΔv0 (12).
Daca un semnal periodic are valoarea de curent continuu egala cu 0 atunci valoarea sa medie este definita numai de partea sa pozitiva. In consecinta pentru cazul unui riplu mic (variatie triunghiulara a curentului de colector) obtinem:
Ic,med=
Obtinem astfel: v0=Ic.medT/2c=D(VI-V0)/8f2LC (14)
V0r ms=
Pentru a functiona in modul continuu stabilizatorul in comutatie are nevoie de un curent de sarcina minim: IL min= D(VI-V0)/2fL (16)
RL max = 
B)Operare discontinua
In acest mod de operare se definesc doi factori de utilizare: D1 pentru comutator si D2 pentru dioda.
D1=ton/T ; D2=toff/T; D1+D2<1 (18)
Intervalul de timp in care iL=0 este (1-D1-D2)T
Variatia curentului prin bobina se poate exprima astfel:
ΔiL=
. Din
19 putem determina expresia tensiunii mediii la iesire: V0=VID1/(D1+D2)
(20).
Curentul mediu prin bobina este: 
I0=IL=V0/RL (22)
Egalitatea 22 se poate exprima astfel: V0/RL=V0D2(D1+D2)/fL=D22+D1D2=2fL/RL (23)
Deci factorul de utilizare pentru dioda poate fi exprimat prin:
Inlocuind 24 in 20 obtinem: 
2)Schema de principiu a unui stabilizator in comutatie cu reglaj serie (coborator de tensiune)
In general un stabilizator in comutatie cu reglaj serie contine 5 elemente de baza (vezi figura 3)
-un circuit de comanda a comutarii;
-un comutator electronic - tranzistor TBJ sau MOS;
-un inductor, un capacitor si o dioda.
FIGURA 3
Controlul comutarii prin c.c.c. (tipic unui circuit integrat) este necesar pentru mentinerea tensiunii de iesire si a riplului in limitele dorite. Comutatorul electronic controleaza puterea furnizata sarcinii. Pentru puteri de iesire >=50w tranzistoarele MOS sunt preferate celor TBJ. Tranzistoarele utilizate ca si C.E. trebuie sa aiba timpi de comutare mici si sa suporte tensiuni colector emitor mari (varfurile de tensiune corespunzatoare regimului tranzitoriu al bobinei), Inductoarele folosite in stabilizatoarele in comutatie sunt, in marea majoritate a cazurilor; cu miez toroidal sau bobinat, cel mai adesea din ferita sau fier cu intrefier pentru a minimiza pierderile la inalta frecventa. In stabilizatoarele in comutatie cele mai utilizate capacitoare sunt capacitoarele tantal. Pentru obtinerea unei rezistente serie cat mai mici este recomandabila conectarea in paralel a doua sau mai multe capacitoare. Diodele folosite in aceste aplicatii trebuie sa aiba timpi de comutare mici (fast recovery diodes). Majoritatea stabilizatoarelor in comutatie necesita un curent de sarcina minim in scopul asigurarii unei functionari continue a bobinei. Daca functionarea bobinei este discontinua atunci stabilizarea in raport cu variatiile sarcinii este slaba. Circuitele de comanda a comutarii pot asigura un control al stabilizarii in 2 moduri: - prin furnizarea unei frecvente constante dar a unui factor de utilizare D variabil (cunoscut sub denumirea de puls-width modulation control);
si - prin furnizarea unei frecvente variabile a comutarii C.E., factorul de utilizare D fiind pastrat constant (cunoscut sub denumirea de , control by frequencz modulation). In mod uzual se foloseste pulse-width modulation control deoarece se pot optimiza valorile bobinei si capacitorului, iar riplul la iesire se poate pastra intre limitele dorite. Daca insa sarcina RL creste peste un anumit nivel, utilizarea acestui tip de control este dificila pentru ca D nu poate scadea sub o anumita valoare iar controlul prin modularea frecventei este preferat. Trebuie mentionat faptul ca in acest caz, dimensionarea elementelor L si C nu este facila.
3 Scheme practice
Pulse-width modulation control (frecventa de comutatie fixa)
Reactia negativa formata din R7, P si R8 preia un esantion al tensiunii de iesire pe care il compara cu tensiunea de pe condensatorul C1, controland astfel factorul de utilizare D.
FIGURA 5
La conectarea sursei VI tensiunea de iesire este 0. Circuitul de esantionare RF1, RF2 aplica aceasta informatie pe intrarea inversoarea amplificatorului intern al βA723, tranzistoarele interne si externe circuitului βA723 intra in conductie , iar valoarea tensiunii de iesire creste. In momentul in care avem egalitatea: V-=v0RF2/(RF1+RF2)≈VREF ; amplificatorul intern furnizeaza semnalul de blocare a tranzistoarelor si cresterea tensiunii de iesire este oprita. Ciclul de comutare se intretine singur deoarece amplificatorul operational intern al βA723 este legat in configuratie de comparator cu histerezis (reteaua R3,R4). Reteaua de iesire RF1,RF2 stabileste tensiunea de iesire in functie de valoarea medie a tensiunii V-.
V0≈(1+RF1/RF2)VREF. Curentul maxim al tranzistorului intern de iesire al βA723 este fixat de RSC (I0max=0,6/RSC)
Pentru a explica rolul elementelor suplimentare din circuitul de putere este necesara punctarea caracteristicilor reale ale dispozitivelor D si T utilizate. Timpii de comutare On si Off corespunzatoare diodei D depind atat de tipul diodei cat si de circuitul exterior. Pentru multe diode rata maxima de scadere a curentului prin dioda la comutare on-off este de ≈100A/ s. De aceea VI/L <diF/dt ;iF = curentul direct prin dioda. Pentru ca timpul de comutare on-off sa fie minimizat este indicata alegerea bobinei in conformitate cu relatia: L=VI/[2(diF/dt)max] (26)
Minimizarea timpului de comutare directa (off-on) se poate face prin conectarea unui circuit snubber RC Pentru tranzistorul MOS putem identifica 3 procese tranzitorii toff-on, ton-off si t'on-off asociat diodei de volum (body diode) a MOS-ului. Pentru un tranzistor MOS rapid toff-on= td on +tr (tdon=timpul de intarziere, tr=timpul de crestere) iar ton-off≈td off+tf (td off = timpul de intarziere, tf= timpul de cadere). Timpul t'on-off asociat diodei de volum este de ordinul a 500ns. De aceea atunci cand MOS-ul functioneaza la frecvente inalte este preferabil a se utiliza o dioda externa legata in serie cu tranzistorul. Pentru reducerea curentului invers prin dioda in regim tranzitoriu este necesara introducerea inductantei L1. Constanta de timp ζ=R2L1 trebuie sa fie mult mai mica decat perioada de comutare. De asemenea diodei D1 i se poate atasa un circuit snubber R3C3 pentru micsorarea timpilor de comutare. Comutarea directa a MOS-ului este relativ lenta (datorita diodei de volum). In aplicatiile in care frecventa de comutare depaseste 20kHz este utilizata o dioda bypass (dioda D2 din fig6). Pentru micsorarea timpilor de comutatie poate fi utilizat un snubber
Daca inductorul L are pierderi atunci tensiunea de iesire scade: V'0=V0-RindIL (27). Daca capacitorul c are o rezistenta serie mare atunci creste riplul tensiunii de iesire:
Atunci cand tranzistorul MOS este comutat in starea blocat, pentru scurt timp D1, L1 sunt in conductie, energia lui L1 descarcandu-se pe R2, C2. In momentul in care energia acumulata in L1 s-a descarcat dioda incepe sa conduca, iar D1 si L1 nu mai conduc. Energia lui C2 se descarca pe R2. Cand MOS-ul este comutat in starea de conductie in intervalul imediat urmator curentul L1 creste gradual iar curentul prin D2 scade gradual. Valoarea lui L1 trebuie aleasa astfel incat (diL1/dt) <50%(diF/dt)max. In momentul in care iD=0, iL1=iL.
