Stabilizatoare de tensiune in comutatie.

Bine te-am găsit !

Stabilizatoarele de tensiune în comutaţie oferă aceleaşi capacitate de stabilizare ca şi cele liniare însă în condiţiile unor pierderi de energie electrică mult mai mici. Chiar dacă acest avantaj impune utilizarea unor scheme electronice mai complexe (ceea ce teoretic ar creşte riscul de defectare) construcţia şi utilizarea stabilizatoarelor de tensiune în comutaţie este mult mai ieftină decât utilizarea clasicelor stabilizatoare de tensiune liniare. Acesta este motivul pentru care astăzi producţia de aparatură electronică tinde pe cât posibil să renunţe la stabilizatoarele de tensiune liniare în favoarea celor în comutaţie.

• Generalităţi
• Stabilizatoare de tip Step-Down (Buck)
• Stabilizatoare de tip Step-Up (Boost)
• Stabilizatoare cu inversare de polaritate

Generalităţi

Dacă în cazul stabilizatorului de tensiune liniar curentul electric curge continuu între intrare şi ieşire, stabilizatorul în comutaţie ia tensiunea de ieşire şi o ciopârţeşte sub forma unor impulsuri (semnalul “verde” din figura 1). Pentru ca aceste impulsuri să redevină tensiuni constante, “line”, exact înainte de ieşirea din stabilizator acestea sunt “integrate” cu ajutorul unui filtru LC, adică unul format dintr-o bobină şi un condensator.

Următorul lucru cu caracter general pe care trebuie să-l reţii este schema bloc a unui stabilizator de tensiune în comutaţie. Aceasta este prezentată mai jos, în figura 1, împreună cu graficele în care sunt reprezentate principalele tipuri de semnale implicate.

Figura 1. Principiul de funcţionare al unui stabilizator de tensiune în comutaţie.

În figura 1 se observă că un stabilizator în comutaţie este compus în general din următoarele blocuri funcţionale:

• Oscilator cu PWM (pulse width modulation – adică în traducere: factor de umplere variabil). Funcţia acestuia este aceea de a crea semnalul de comandă pentru elementul activ (tranzistorul). Menţiunea “cu PWM”, indică faptul că este vorba de un oscilator capabil să creeze impulsuri de frecvenţă constantă dar cu durată variabilă. De regulă, frecvenţa de lucru a acestuia este între 20 şi 150 kHz însă în unele aplicaţii mai speciale poate ajunge chiar şi la 2MHz (2000kHz);
• tranzistor (de comutaţie). Este un tranzistor de putere de tip bipolar sau MOS-FET, caracterizat în principal de o viteză foarte mare de comutaţie (trecere foarte rapidă între stările închis-deschis şi invers) şi de o rezistenţă foarte mică între borne (colector-emitor sau drenă-sursă). Rolul lui este de acela de a transmite trecerea intermitentă a tensiunii de alimentare creând astfel la ieşirea lui un semnal format din impulsuri de tensiune. Utilizarea lui este necesară deoarece, oscilatorul nu poate manipula singur decât curenţi de cel mult câţiva mA, în timp ce prin intermediul unui tranzistor de comutaţie … doar cerul e limita :);
• Sursa de tensiune de referinţă. La fel ca şi în cazul stabilizatoarelor liniare, sursa de tensiune de referinţă este folosită ca etalon în procesul de stabilizare. Cu alte cuvinte, valoarea tensiunii dată de sursa de tensiune de referinţă dictează în mod direct valoarea tensiunii de ieşire;
• Comparatorul. Este un ircuit care compară tensiunea de ieşire cu tensiunea de referinţă oferind la ieşire un semnal de eroare (o să vedem puţin mai jos la ce foloseşte acesta);
• Integrator (filtru LC). Este un bloc care are rolul de a transforma impulsurile de tensiune în semnal de ieşire continuu. Este constituit din bobine (L) şi condensatori (C).

Nu ştiu dacă am mai folosit până acum termenul de “integrare” însă cu siguranţă îl voi mai folosi şi de aceea este bine să vorbim acum puţin de el. “Integrare” se refera la situaţia în care un semnal intermitent, discontinuu sau format din impulsuri de tensiune, este transformat într-un semnal de tensiune continuă. Acest lucru se realizează prin absorbţia şi înmagazinarea (în condensatori şi bobine) a unei părţi din energia impulsurilor (aplicate la intrare) şi prin reintroducerea acesteia (în circuitul de ieşire) în pauzele dintre aceste impulsuri. Sau altfel spus, un circuit de integrare nu face altceva decât sa ia de unde este prea mult (tensiunea din timpul prezenţei impulsurilor) şi să dea acolo unde este prea puţin (în pauzele dintre impulsuri) cu scopul de a oferi la ieşire un semnal care este mereu constant, “lin” (vezi figura 1, graficul din mijloc şi cel din dreapta).

Acestea fiind zise, funcţionarea unui stabilizator în comutaţie are loc în următorul mod. Semnalul de ieşire este permanent comparat de către comparator cu tensiunea de referinţă (a cărei valoare este egală cu tensiunea pe care o dorim la ieşire). Rezultatul comparaţiei (semnalul de eroare) este livrat oscilatorului cu PWM, care astfel prin intermediul tranzistorului modifică (creşte sau scade) durata impulsurilor astfel încât după ce acestea trec de blocul de integrare să se obţină la ieşire o tensiune egală cu tensiunea de referinţă.

În acest punct probabil te intrebi de ce ne-am complica cu transformări din tensiuni continue în impulsuri şi apoi iar în tensiuni continue. Pentru ce atâta bătaie de cap ? Ei bine, avantajul dat de acest mod de funcţionare este acela că elementul activ (tranzistorul care creează impulsurile de ieşire) este folosit nu ca un “robinet de curent electric” (ca în cazul stabilizatoarelor liniare) ci ca un simplu întrerupător care conectează şi deconectează succesiv legătura dintre intrarea stabilizatorului şi filtrul LC de pe ieşire (blocul de integrare). Cu alte cuvinte, în acest caz elementul activ lucrează în regim închis/deschis, regim cunoscut şi sub numele de regim de comutaţie. Marele avantaj al acestui regim de lucru este faptul că indiferent în ce stare s-ar afla elementul activ (închis sau deschis), pierderile de energie electrică pe el sunt, cel puţin teoretic, zero. Dacă ne amintim că puterea electrică este egală cu produsul dintre tensiune şi curent (P=UxI), atunci când elementul activ (tranzistorul) este:

• deschis (blocat), tensiunea de la bornele lui este maximă dar curentul este 0, ceea ce înseamna că P = U x 0 = 0;
• închis (saturat), curentul ce trece prin el este maxim însă tensiunea de la bornele lui este zero, ceea ce înseamna că P = 0 x I = 0.

Bineînţeles, în realitate există totuşi ceva pierderi însă acestea sunt cu mult mai mici faţă de cele din cazul stabilizatoarelor liniare. Valorile obişnuite pentru eficienţa stabilizatoarelor în comutaţie se regăsesc în general în gama 80-95%.

Menţionez că stabilizatoarele de tensiune în comutaţie sunt frecvent numite şi convertoare DC-DC – termen importat din englezescul DC-DC converter care se referă la o clasă de convertoare ce transformă o tensiune continuă tot într-una continuă dar de altă valoare.

Stabilizatoare de tensiune de tip Step-Down (Buck)

În limba engleză Step-Down se traduce (în acest context) prin coborâtor, ceea ce sugerează că avem de-a face cu un tip de stabilizator care oferă la ieşire o tensiune stabilizată (V_out) care este mai mică decât tensiunea de intrare (V_in). Pentru a funcţiona corect, tensiunea de intrare a unui stabilizator de tip Step-Down trebuie să fie mereu mai mare decât tensiunea dorită la ieşire.

Pentru a înţelege în ce constă şi cum funcţionează stabilizatorul de tip Step-Down hai să aruncăm o privire peste figura 2.

Figura 2. Schema de principiu a unui stabilizator de tensiune în comutaţie de tip Step Down (Buck)

În partea introductivă spuneam că elementul activ (tranzistorul) este folosit pe post de întrerupător. Aşa că, pentru a simplifica lucrurile, în figura 2 şi în cele care vor urma, am înlocuit simbolul tranzistorului cu cel al unui simplu întrerupător. Tot pentru simplificare, blocurile Sursă de tensiune de referinţă, Comparator şi Oscilator cu PWM au fost incluse într-un bloc numit simplu Modul de Control. De asemenea, nu am mai desenat traseul prin care modulul de control primeşte informaţii despre valoarea tensiunii de ieşire. Altfel spus, m-am axat în special pe partea de putere a schemelor.

Fiind vorba de un stabilizator în comutaţie, stabilizatorul Step-Down se poate afla la un moment dat fie în situaţia tranzistor închis fie în cea de tip tranzistor deschis.

Hai să considerăm că tocmai am alimentat circuitul din figura 1 şi că ne aflăm în:

Cazul 1. Tranzistor închis

Dioda D, în această situaţie, este polarizată invers faţă de V_in , este blocată şi deci deocamdată putem să o ignorăm. Tranzistorul T este închis şi deci prin intermediul acestuia, bobina L şi condensatorul C sunt legaţi în serie cu sursa de alimentare V_in. Condensatorul C fiind descărcat va începe să se încarce, ceea ce va iniţia apariţia unui anumit curent prin bobina L. Aceasta, datorită fenomenului de autoinducţie, va frâna creşterea acestui curent, ceea ce va reduce viteza de încărcare a condensatorului (care altfel s-ar încărca practic instant şi nu am mai avea cum să-i controlăm valoarea tensiunea de la borne). În tot acest timp, fiind parcursă de un curent electric, bobina L absoarbe o anumită cantitate de energie electrică pe care o stochează sub formă de energie magnetică.

Cazul 2. Tranzistor deschis

Mai devreme sau mai târziu (în funcţie de frecvenţa oscilatorului), modulul de control va dicta deschiderea tranzistorului T. În această situaţie, sursa de alimentare V_in este deconectată de restul circuitului ceea ce înseamnă că aceasta nu mai poate crea nici un curent prin condensatorul C şi bobina L. Autoinducţia însă îşi va face simţită prezenţa şi de această dată şi va tinde să menţină acelaşi curent prin bobina L consumând din energia magnetică acumulată anterior. Curentul prin bobina L (aşa cum arată săgeata punctată din figura 2 – jos) se va închide nu prin sursa de alimentare V_in (care este deconectată) ci prin dioda D.

Aşadar, în cazul 1 (tranzistor închis) bobina L întârzie încărcarea completă a condensatorului C, iar în cazul 2 (tranzistor deschis) îi întârzie descărcarea completă. Variind raportul dintre durata impulsurilor (a momentelor când tranzistorul T este închis) şi a pauzelor (a momentelor cand tranzistorul T este deschis), modulul de control poate dicta o tensiune de ieşire (V_out) care poate lua practic orice valoare între 0 şi V_in.

Stabilizatoare de tensiune de tip Step-Up (Boost)

În limba engleză Step-Up se traduce (în acest context) prin ridicător, ceea ce sugerează că avem de-a face cu un tip de stabilizator care oferă la ieşire o tensiune stabilizată (V_out) mai mare decât tensiunea de intrare (V_in). Pentru a funcţiona corect, tensiunea de intrare a unui stabilizator de tip Step-Up trebuie să fie mereu mai mică decât tensiunea dorită la ieşire.

Stabilizatorul de tip Step-Up este schiţat în figura 3.

Figura 3. Schema de principiu a unui stabilizator de tensiune în comutaţie de tip Step-Up (Boost)

La fel ca şi în cazul precedent, funcţionarea schemei are la bază trecerea tranzistorului din starea deschis în starea închis şi invers. Hai să vedem ce se întâmplă în fiecare din aceste cazuri.

Cazul 1. Tranzistor închis

În această situaţie, bobina L este conectată prin intermediul tranzistorului T direct la tensiunea V_in. Autoinducţia tinde să evite apariţia şi creşterea unui curent prin bobină, însă nu reuşeşte decât să încetinească acest proces. Condensatorul C nu primeşte nimic în acest caz, deoarece tensiunea de dinainte de dioda D este scurtcircuitată la masă de către tranzistorul T. În tot acest timp, fiind parcursă de un curent electric, bobina L absoarbe o anumită cantitate de energie electrică, pe care o stochează sub formă de energie magnetică.

Cazul 2. Tranzistor deschis

În momentul în care modulul de control comandă deschiderea tranzistorului T, curentul generat de V_in prin bobina L dispare. Autoinducţia încearcă să menţină acelaşi curent prin bobina L consumând din energia magnetică stocată anterior. De această dată, curentul prin bobina L se va închide prin dioda D şi condensatorul C (pe care va începe să-l încarce). Cu alte cuvinte, în aceast caz, bobina L apare ca o sursă de tensiune care este înseriată cu V_in. Asta înseamnă că tensiunea de ieşire va fi egală cu suma dintre tensiunea care apare pe bobina L şi tensiunea V_in – deci în orice caz, tensiunea de ieşire va fi cel puţin egală cu tensiunea de intrare.

Aşadar, în cazul 1, bobina L apare ca un acumulator pus la încărcat la tensiunea V_in prin intermediul tranzistorului T. În cazul 2, “acumulatorul” este conectat în serie cu tensiunea V_in, permiţând astfel obţinerea la ieşire a unei tensiuni mai mari decât V_in.

Variind raportul dintre durata impulsurilor (a momentelor cand tranzistorul T este închis) şi a pauzelor (a momentelor când tranzistorul T este deschis), modulul de control poate dicta o tensiune de ieşire care poate lua, teoretic, orice valoare între V_in şi infinit. Acest lucru este valabil în gol (fără sarcină), în vid şi cu condiţia utilizării unor componente perfecte (fără pierderi). Valorile practice ale tensiunii de ieşire sunt de regulă de maxim 10 X mai mari decât V_in.

Stabilizatoare de tensiune cu inversare de polaritate

Nu cred că mai are rost să spun că acest tip de stabilizator ne permite să obţinem tensiuni de polaritate inversă (faţă de masă). Ooop, nu are rost şi totuşi am zis-o :). Hai totuşi să-ţi spun ceva cu adevărat nou: stabilizatorul cu inversare de polaritate poate lucra cu tensiuni de intrare (V_in) indiferent dacă acestea sunt mai mici sau mai mari decât tensiunea dorită la ieşire (V_out).

În figura 3 este ilustrată atât schema de principiu cât şi cele două situaţii în care se poate afla un stabilizator de tensiune cu inversare de polaritate.

Figura 4. Schema de principiu a unui stabilizator de tensiune în comutaţie cu inversare de polaritate

Să vorbim pe rând despre fiecare din cele două cazuri:

Cazul 1: Tranzistor închis

Similar stabilizatorului Step-Up, în această situaţie bobina L este conectată prin intermediul tranzistorului T direct la tensiunea V_in. Dioda D este polarizată invers faţă de V_in şi deci în acest caz este blocată. Autoinducţia tinde să se opună apariţiei şi creşterii unui curent prin bobina L, însă din nou, nu reuşeşte decât să încetinească acest proces. Condensatorul C nu primeşte nimic în acest caz, deoarece tensiunea de dinainte de dioda D este scurtcircuitată la masă de către tranzistorul T. În tot acest timp, fiind parcursă de un curent electric, bobina L absoarbe o anumită cantitate de energie electrică pe care o stochează sub formă de energie magnetică.

Cazul 2: Tranzistor deschis

Deschiderea tranzistorului T întrerupe curentul pe care V_in îl crea anterior în bobina L. Autoinducţia acesteia va reacţiona şi va tinde să menţină acelaşi curent folosind energia magnetică stocată anterior. În acest context, tensiunea de la bornele bobinei L se va inversa deoarece aceasta se transformă din consumator în generator de energie electrică. Această tensiune inversată va găsi dioda D polarizată direct, o va deschide şi astfel va putea încărca condensatorul C cu tensiune negativă (faţă de masă).

Variind raportul dintre durata impulsurilor (a momentelor când tranzistorul T este închis) şi a pauzelor (a momentelor când tranzistorul T este deschis), modulul de control poate dicta o tensiune de ieşire care poate lua teoretic orice valoare între 0 şi -infinit. Acest lucru este valabil, bineînţeles, doar în gol (fără sarcină), în vid şi cu condiţia utilizării unor componente perfecte (fără pierderi). Valorile practice ale tensiunii de ieşire sunt de regulă de maxim -10 ori mai mari decât Vin.

Note finale.

În cazul în care nu ai înţeles complet principiile de funcţionare prezentate mai sus, te sfătui să reciteşti articolul având în minte următoarele idei generale:

• indiferent despre ce tip de stabilizator este vorba, curentul prin bobina L (impus acesteia de V_in sau creat de ea însăşi) are mereu acelaşi sens;
• în momentele în care tranzistorul T este închis, bobina L absoarbe o anumită cantitate de energie electrică pe care o transformă în energie magnetică. În momentele în care tranzistorul este deschis, bobina L reintroduce în circuit energia absorbită anterior. Modul în care este conectată bobina L în circuit urmăreşte de fapt cum anume dorim să folosim energia stocată în aceasta – pentru a obţine o tensiune mai mică (stabilizator Step-Down), pentru a obţine o tensiune mai mare (stabilizator Step-Up) sau să obţinem o tensiune inversă (stabilizator cu inversare de polaritate).

Stabilizatoarele liniare nu pot să obţină o tensiune stabilizată decât prin atenuarea unei tensiuni (de intrare) mai mari. În contrast, am văzut că cele în comutaţie pot face şi invers: dintr-o tensiune mai mică putem să obţinem una stabilizată de valoare mai mare. Ba mai mult, ne este permis să obţinem chiar şi tensiuni negative, fapt important de multe ori când avem de-a face, de exemplu, cu alimentarea aplicaţiilor cu amplificatoare operaţionale. Şi toate acestea în condiţiile unor randamente care trec uşor de 80-90%.

Cu toate acestea, pentru alimentarea aplicaţiilor foarte pretenţioase, stabilizatoarele liniare sunt încă preferate celor în comutaţie. Asta pentru că cele în comutaţie nu reuşesc să ofere mereu o stabilizare la fel de bună. De aceea, pentru a împăca şi capra şi varza, în aplicaţiile de putere şi precizie se utilizează:

• un stabilizator în comutaţie care oferă avantajul unui randament foarte bun, urmat de;
• un stabilizator liniar care oferă avantajul unei foarte bune stabilizări.

Condiţia esenţială de funcţionare a acestui lanţ este ca tensiunea oferită de stabilizatorul în comutaţie să fie cu cel puţin 2,5 – 3 V mai mare decât tensiunea de la ieşirea stabilizatorului liniar.

Ştiu că trebuie să fii curios şi despre scheme practice de stabilizatoare de tensiune în comutaţie, însa acest subiect va rămâne de dezbătut într-unul din articolele viitoare. Atunci, cel mai probabil voi vorbi despre scheme bazate pe unul din cele mai simple, ieftine şi versatile circuite integrate destinate stabilizatoarelor de tensiune în comutaţie: MC34063. Dacă nu mai ai răbdare până atunci, verifică-i datasheet-ul aici pentru informaţii despre cum îl poţi folosi practic.

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian