SURSĂ REGLABILĂ DE TENSIUNE ÎN COMUTAȚIE
Ioan BACIU, Corina Daniela CUNȚAN
ADJUSTABLE IN COMMUTATION VOLTAGE SOURCE
The paper presents an adjustable in commutation self-oscillating voltage
source which permits the control of the output voltage through a digital
command. The command can be made from a PC or from a microcontroller
module that controls a specialized integrated circuit, namely UC3842B. This
forms variable duration pulses of the in commutation transistor according to the
input signal.
The source has galvanic isolation in the feedback loop to assure safety.
Cuvinte cheie: sursă în comutaţie, comandă digitală, optocuplor, buclă
de reacţie, conversie analog-numerică
Keywords: source commutation, the digital command, optocoupler,
reaction, the conversion loop analog-digital
1. Introducere
Scopul unei surse de tensiune în comutaţie este de a furniza o
tensiune stabilizată a unei sarcini rezistive variabile. Denumirea provine
din faptul că în schema electrică a unei astfel de surse există un
comutator electronic ce întrerupe periodic furnizarea curentului spre
sarcină.
Funcţionarea normală şi corectă a oricărui aparat electronic
necesită alimentarea acestuia de la surse de tensiune la care variaţiile
tensiunii de alimentare să nu depăşească anumite limite, dependente
de performanţele aparatului. Principala sursă de energie electrică
folosită la alimentarea aparaturii electronice o constituie reţeaua de
359
curent alternativ [1]. Conversia energiei de curent alternativ în energie
de curent continuu se realizează cu sisteme de redresare.
Stabilizarea unei tensiuni continue se poate asigura fie “înainte
de redresor”, menţinând constantă tensiunea alternativă de alimentare,
fie “după redresor”, intercalând între aceasta şi sarcina un
subansamblu electronic denumit stabilizator de tensiune continuă,
capabil să menţină între anumite limite tensiunea constantă.
Stabilizatoarele din cea de-a doua categorie au căpătat cea mai mare
răspândire, deoarece prezintă avantajul că menţin mai uşor tensiunea
constantă la bornele sarcinii, indiferent de perturbaţiile care tind să o
modifice.
Progresele tehnologice obţinute în domeniul semiconductoarelor de putere, de comutaţie, realizarea unor circuite magnetice
capabile să funcţioneze la frecvenţe mari şi cu pierderi mici, au creat
posibilitatea proiectării şi realizării unor stabilizatoare de tensiune
continuă în comutaţie, care să satisfacă cerinţele impuse de greutate,
volum, randament şi cost.
Stabilizatoarele de tensiune continuă cu circuit de reacţie au o
structură mai complexă. Prin intermediul unei bucle de reacţie se
asigură menţinerea constantă a tensiunii de la ieşire în concordanţă cu
factorii perturbatori din reţea sau de la consumator.
2. Prezentarea lucrării
Subansamblurile ce intră în componenţa unui stabilizator în
comutaţie (figura 1) evidenţiază modul de funcţionare a unei surse în
comutaţie [1].
Tensiunea alternativă a reţelei este redresată, de obicei, printro punte redresoare. De remarcat că între reţeaua de curent alternativ şi
stabilizator nu este prevăzut nici un transformator de separare.
Tensiunea redresată este filtrată corespunzător până se asigură nivelul
pulsaţiilor admis de celelalte părţi componente pentru funcţionarea
corectă a acestora.
Tensiunea continuă alimentează elementul de comutaţie (de
exemplu: tranzistor de putere), care la rândul său este comandat de un
semnal rectangular de frecvenţă mare, care de obicei este de 20 kHz.
Tensiunea de formă dreptunghiulară se aplică unui
transformator de putere, în secundarul căruia se obţine o tensiune de
aceeaşi formă ca în circuitul primar cu amplitudine determinată de
raportul de transformare. Transformatorul mai îndeplineşte şi rol de
360
element izolator între circuitele conectate la reţeaua de curent alternativ
şi consumator [6].
Tensiunea alternativă, de formă rectangulară, este în
continuare redresată şi filtrată şi constituie tensiunea de ieşire a
stabilizatorului.
Pentru ca tensiunea să rămână constantă chiar dacă tensiunea
reţelei se modifică sau dacă circuitul de sarcină îşi modifică valoarea,
un eşantion din tensiunea de ieşire este preluat de circuitul de
comandă şi control. Acest bloc are rolul de a compara tensiunea de
reacţie cu o tensiune de prescriere şi să ajusteze pe baza rezultatului
comparării durata de conducţie a elementului de comutare.
Fig. 1 Schema bloc a unui stabilizator de tensiune continuă în comutaţie
Întrucât elementul de comutare se află într-una din cele două
stări distincte, conducţie respectiv blocare, tensiunea rezultată va avea
un important conţinut de armonici superioare. Ele pot perturba alte
echipamente aflate în apropierea stabilizatorului sau se pot propaga în
reţeaua de alimentare. Pentru a împiedica pătrunderea în reţea a
tensiunilor perturbatoare la intrarea stabilizatorului este obligatorie
folosirea unui filtru (filtru de radiofrecvenţă) [2].
Stabilizatorul mai posedă circuite de protecţie care să-i asigure
funcţionarea corectă în situaţii când curentul de sarcină depăşeşte o
anumită limită, precum şi în cazul apariţiei unor supratensiuni
accidentale.
361
Se cunosc din literatura de specialitate numeroase variante
constructive adoptate pentru realizarea surselor de tensiune continuă în
comutaţie (STCC). Analizând soluțiile constructive adoptate şi având în
vedere tipul de circuit electronic utilizat ca element de comutaţie, STCC
se pot clasifica astfel [1]:
- STCC de tip direct (“forward converter”);
- STCC cu revenire (“flyback converter”);
- STCC în contratimp (“push-pull converter”).
În funcţie de natura consumatorului, de cerinţele impuse cu
privire la asigurarea unui anumit grad de izolare galvanică faţă de
reţeaua de alimentare, sursele se realizează sub forma:
a) STCC cu transformator de izolare;
b) STCC fără transformator de izolare.
Figura 2 redă cea mai simplă structură de stabilizator STCC
“FLYBACK” cu izolare. Tranzistorul Q trebuie ales astfel încât să
suporte tensiunea UCEmax care poată să apară în timpul funcţionării,
precum şi curentul maxim de colector [1].
Fig. 2 STCC “flyback” cu izolare
Performanţele unei surse în comutaţie sunt puternic influenţate
de comportarea transformatorului care intră în componenţa sursei. Cu
toate progresele obţinute în miniaturizarea, sau chiar microminimizarea
inductivităţilor, transformatorul unei surse în comutaţie rămâne partea
cea mai voluminoasă şi cu masa cea mai mare. Pentru a obţine o sursă
362
cu dimensiuni cât mai mici, trebuie ales un regim de lucru cu o
frecvenţă de comutaţie cât mai mare, fapt ce atrage după sine şi
utilizarea unor componente feromagnetice de dimensiuni reduse.
Această observaţie pune în evidenţă cerinţa ca proiectarea şi
construirea transformatoarelor şi a bobinelor de filtraj să se facă cât mai
corect.
Atunci când se proiectează o sursă în comutaţie trebuie să se
decidă, de asemenea, ce tip de tranzistor se poate folosi: tranzistor
bipolar sau MOSFET. Fiecare soluţie prezintă avantaje şi dezavantaje.
Tranzistoarele bipolare, în prezent, sunt mai ieftine, în timp ce
tranzistoarele MOSFET oferă soluţii mai simple pentru comandă. De
asemenea, frecvenţa limită pentru tranzistoarele MOSFET este
superioară faţă de cea a unui tranzistor bipolar [2].
Majoritatea surselor de putere în comutaţie au în componenţa
lor circuite electronice la ieşirea cărora tensiunea este modulată în
durată. Utilizând procedeul de modulaţie în durată (MD) se poate
modifica timpul de conducţie al tranzistoarelor de putere ce îndeplinesc
funcţia de comutator şi, prin urmare, se poate modifica valoarea medie
a tensiunii de ieşire. Acest procedeu se pretează la realizarea unei
surse în comutaţie cu buclă de reglare, pentru că permite creşterea
stabilităţii tensiunii de ieşire faţă de variaţiile tensiunii de intrare, faţă de
temperatură [3].
Familia de controllere UC384xB oferă caracteristicile necesare
pentru implementarea offline sau a curentului discontinuu cu scheme
de control cu un minimum de părți externe pentru un regim de curent cu
frecvente fixe. Circuitele interne implementate includ un oscilator
echilibrat pentru controlul ciclului de serviciu sub blocarea de curent la
un curent de pornire de mai mic de 0,5 mA, o referință de precizie
echilibrată pentru corectitudine la eroarea de intrare a amperajului,
pentru a asigura operarea, un comparator PWM care asigură controlul
limitării de curent, şi o fază de ieşire a porţii TTL-ului care se comportă
ca un amplificator de putere pentru a coborî vârfurile înalte de curent.
Faza de ieşire, potrivită pentru a conduce canalele - N ale MosFet-ului
sunt scăzute în faza off [3].
Diferenţele dintre membrii acestei familii sunt intrările blocajelor
de sub-tensiune şi durata ciclurilor de serviciu. UC3842B şi UC3844B
au intrări USLVO de 16 V (pornit) si 10 V (oprit), ideale pentru
operatiunile offline [7].
Caracteristici:
- oscilator echilibrat pentru control precis al frecvenţei;
- frecvenţa oscilatorului garantată la 250 kHz;
363
- operarea regimului de curent la 500 kHz;
- alimentare automata înaintea compensării;
- blocarea tensiunii mici cu histereză;
- curent mic de pornire şi operare.
Sursa de tensiune (figura 3) permite obţinerea la ieşire a două
tensiuni stabilizate de 5 V respectiv de 12 V.
Comutatorul de putere face ca inducţanţa primară din
transformatorul de flyback să fie alimentată cu sursa de tensiune Vin
când este pornit.
Fig. 3 Schema sursei în comutaţie
364
Secundarul este deconectat datorită diodei D care este în
conducţie indirectă. Curentul din înfăşurarea primară ia forma de rampă
lineară care porneşte de la 0 A până la maximul dat de formula [2]:
V T
I pk = in on
L pri
(1)
Curba de creştere a curentului de rampă este Vin/Lpri.
Topologia flyback, ca și convertoarele boost-mode folosesc
principiul stocării energiei în materialul transformatorului. Energia
stocată în timpul fiecărei perioade de conducţie este [2]:
E sto =
Pout ≤
2
L pri i pk
2
2
Fop L pri i pk
2
(2)
(3)
Pentru obţinerea unei tensiuni reglabile se aduce de la un
calculator, prin intermediul unui circuit de interfaţă, a unui semnal de
comandă ce modifică durata de încărcare a condensatorului formator
de impulsuri conectat la pinul 4 a circuitului integrat de tip UC 3842B.
Funcţionarea sursei este clasică, cu protecţie pe ieşire cu
optocuplor ce blochează transmiterea impulsurilor de comandă la
tranzistorul comutator de tip MOS (MTB3N120E) la dispariţia tensiunii
la ieşire sau la scurtcircuit, precum şi realizarea circuitului de întârziere
la pornire. Are prevăzute filtre de înaltă frecvenţă atât la ieşire cât şi la
intrare, alimentare directă cu punte redresoare şi circuite de filtrare
precum şi circuit de reacţie de tensiune pentru reglarea impulsului de
comandă la tranzistorul comutator.
Fig. 4 Schema electrică cu convertor curent-tensiune la ieşire
365
Circuitul de interfaţă cu PC se conectează la portul paralel şi
conţine un bloc de conversie digital-analogic cu DAC 08 şi un convertor
curent-tensiune cu amplificator operaţional (figura 4) [5].
Ieşirea acestui circuit se trece printr-un circuit de separare
galvanică (figura 5) cu optocuplor şi circuit de extensie a domeniului de
variaţie a tensiunii de ieşire pentru a permite reglarea curentului de
încărcare a condensatorului formator de impulsuri [6].
Circuitul de interfaţă comandă direct încărcarea condensatorului
dar se poate adapta şi o buclă de reacţie pentru controlul automat al
comenzii de reglare a tensiunii de ieşire aducând de la ieşire printr-un
convertor analog-digital a unei mărimi direct proporţionale cu tensiunea
de ieșire. În acest fel se realizează prin soft o reglare continuă a
tensiunii de ieşire.
Fig. 5 Circuit de separare galvanică
3. Concluzii
■ Pentru o comandă digitală dată pe 8 biţi corespunzător valorilor
zecimale 0-255 s-au obţinut valorile la ieşire corespunzătoare tabelului
1.
■ Din tabelul 1 se constată o variaţie liniară a tensiunii de ieşire
funcţie de datele numerice de intrare.
Pentru ieşirea de 5 V s-a obţinut o variaţie între 4,40 – 9,50 V iar
pentru ieşirea de 12 V o variaţie între valorile 8,54-19,55 V. La
366
modificarea consumatorului nu se modifică semnificativ valorile de
ieşire, dacă curentul de ieşire nu depăşeşte valoarea prescrisă din
proiectare.
■ Întrucât elementul de comutare se află într-una din cele două
stări distincte, conducţie respectiv blocare, tensiunea rezultată va avea
un important conţinut de armonici superioare.
Ele pot perturba alte echipamente aflate în apropierea
stabilizatorului sau se pot propaga în reţeaua de alimentare. Pentru a
împiedica pătrunderea în reţea a tensiunilor perturbatoare la intrarea
stabilizatorului este obligatorie folosirea unui filtru (filtru de
radiofrecvenţă).
Spectrul mare de armonici introduse face ca sursele de
comutaţie să fie utilizate în special la puteri relativ reduse.
Tabelul 1
■ Filtrul LC are o mare importanţă asupra stabilităţii sursei când
ea este prevăzută cu un circuit de reglare a tensiunii de ieşire.
Un filtru cu inductivitate mică şi capacitate mare determină o
impedanţă mică pentru filtru, ceea ce va permite să se obţină un timp
de răspuns redus la modificările bruşte ale parametrilor circuitului de
sarcină.
367
Dacă inductivitatea este prea mică, pot rezulta impulsuri de
curent prin diodele redresoare, care să depăşească curentul de vârf
efectiv al acestora.
BIBLIOGRAFIE
[1] Popescu, V., Surse de alimentare neîntreruptibile, Editura de Vest,
Timişoara, 2004.
[2] Muntean, N., Convertoare statice, Editura Politehnica Timişoara 1998.
[3] Lascu, D., Tehnici şi circuite de corecţie activă a factorului de putere,
Editura de Vest, Timişoara, 2004.
[4] Nicolau, Ed., Manualul inginerului electronist, radiotehnica, Editura tehnică,
1986.
[5] * * * Circuite integrate liniare, vol.3, seria practică, Editura tehnică, 1985.
[6] Petreuş, D., Lungu,Ș., Surse în comutatie, Editura Mediamira, Cluj-Napoca,
1999.
[7] * * * Internet: http://www.onsemi.com/.
[8] * * * Internet: http://www.datasheetcatalog.com/.
Şef lucr.Dr.Ing. Ioan BACIU
Facultatea de Inginerie Hunedoara, Universitatea „Politehnica” Timişoara,
membru AGIR
e-mail:
[email protected]
Şef lucr.Dr.Ing. Corina Daniela CUNȚAN
Facultatea de Inginerie Hunedoara, Universitatea „Politehnica” Timişoara,
membru AGIR
e-mail:
[email protected]
368