- sursa in comutatie cu convertor cc-cc coborator (buck)

 

SURSA IN COMUTATIE CU CONVERTOR CC-CC COBORATOR (BUCK)

Introducere

Convertorul coborator ( buck converter )

Circuitele de conversie c.c. - c.c (eng. dc - dc) au fost redenumite choppere odata cu aparitia comutatoarelor pe siliciu (tiristoare, triace), in engleza - SRC (Silicon Controlled Rectifiers). In prezent, tiristoarele sunt rareori folosite in convertoarele c.c. - c.c., dar se folosesc pe scara larga tranzistoarele bipolare de putere, tranzistoarele MOSFET, si aceste convertoare sunt numite surse de putere in comutatie. Sursele in comutatie pot fi de unul din urmatoarele tipuri:

surse in comutatie de tip coborator. Tensiunea nestabilizata de la intrare este micsorata pentru a produce o tensiune continua stabilizata la ies ire. Cunoscute cu numele Buck Converter sau Step-Down SMPS.

. chopper ridicator. Tensiunea nestabilizata de la intrare este crescuta pentru a produce o tensiune continua stabilizata la ies ire. Cunoscute cu numele de BOOST Converter sau Step-Up SMPS.

. convertorul fly-back.

convertorul mixt. Tensiunea nestabilizata de la intrare este crescuta sau micsorata pentru a produce o tensiune continua stabilizata la iesire.

convertoare rezonante.

Aplicatii tipice in care se folosesc surse de putere in comutatie, chopper-ele, sunt:

motoare in c.c.

incarcatoare pentru baterie.

surse de putere Vcc.

La convertoarele c.c. - c.c. in comutatie exista cateva particularitati pentru inductantele utilizate, care vor conduce un curent mare la frecvente inalte. Vor fi utilizate fire litate in locul celor rasucite la frecvente mai mari de 50 KHz, cu miezuri magnetice de calitate pentru reducerea pierderilor in miez. De asemenea si condensatoarele sunt solicitate. Acestea lucreaza la frecvente inalte, cu supracurenti periodici. Trebuie verificate limitele de curent ale acestora inainte de a fi utilizate. Deci se va atrage o atentie mare asupra parametrilor de lucru ale inductantelor si capacitatilor utilizate.

In majoritatea circuitelor de putere, diodele joaca un rol crucial. O dioda de putere normala este proiectata pentru a lucra la 400 de Hz sau mai putin. In majoritatea invertoarelor s i convertoarelor c.c. - c.c. lucreaza la frecvente mult mai inalte si deci aceste circuite necesita diode care sa comute inchis si deschis rapid. In plus, este de dorit ca diodele sa nu introduca efect de regim transient la comutatie. De aceea este foarte importanta alegerea corecta a diodelor.

SURSA IN COMUTATIE CU CONVERTOR CC-CC COBORATOR

(BUCK)

1. Scopul lucrarii:

analiza functionarii convertorului coborator

- studiul circuitului de comanda

2. Aparatura necesara:

- montaj experimental

- osciloscop cu doua canale

- sursa stabilizata dubla

- ampermetru

3. Consideratii teoretice

Acest convertor cc-cc produce la iesire o tensiune mai mica decat tensiunea de intrare.

Fig.1 Schema convertorului coborator

In momentul in care tranzistorul T se deschide, tensiunea de intrare Ui se aplica filtrului de iesire, prin obina circuland curentul de sarcina si cel de incarcare al condensatorului.

Cand tranzistorul se blocheaza, datorita tensiunii autoinduse in bobina, dioda D se deschide asigurand o cale pentru curentul din bobina.

Se va analiza functionarea doar pentru regimul stationar.In acest regim se disting doua moduri de functionare:

a)     Mod de conductie neintrerupta;

b)     Mod de conductie intrerupta;

Formele de und ace descriu functionarea pentru cele doua moduri sunt prezentate in fig.2.Acestea au fost prezentate in urmatoarele ipoteze simplificatoare:

- Caderile de tensiune pe comutatoare in stare de conductie sunt nule;

- Caderea de tensiune pe condensatorul de iesire aproximativ constanta;

- Rezistenta bobinei si condensatorului sunt 0.

- Timpii de comutare ai tranzistorului si diodei sunt foarte mici in raport cu perioada de comutatie.

FUNCTIONAREA IN CONDUCTIE NEINTRERUPTA

Se caracterizeaza prin acea c, prin bobina, curentul este in totdeauna mai mare decat 0 pe durata unei perioade de comutatie T.

Fig.2 Curentii si tensiunile pentru convertorul cc-cc coborator : a) Conductie neintrerupta ;

b) Conductie intrerupta

CURENTII SI TENSIUNILE PENTRU CONVERTORUL CC-CC COBORATOR

a. CONDUCTIE NEINTRERUPTA

b. CONDUCTIE INTRERUPTA

In ipostazele enuntate mai sus se pot scrie urmatoarele relatii:

- Pe durata de conductie a tranzistorului (Tc), caderea de tensiune pe bobina L este constanta data de relatia:

(1)

Iar pe durata de blocare a tranzistorului(Tb):

(2)

Tinand seama ca in regim stationar valoarea medie a tensiunii pe bobina este nula se poate scrie:

(3)

De unde rezulta:

(4)

(5)

(6)

S-a tinut cont ca: T=Tc + Tb; (factorul de umplere)

Curentul de sarcina Is este egal cu valoarea medie a curentului prin bobina (in regim stationar valoarea medie a curentului prin condensator este 0).Deci :

(7)

Din relatia (1), (4) si (5) rezulta :

(8)

Iar din relatia (7) si (8) se obtine :

(9)

(10)

Din relatia (4) rezulta ca in conductie neintrerupta, tensiunea de iesire nu depinde de curentul de sarcina.Forma de unda a curentului prin bobina este aceeasi pentru diferite valori ale curentului de sarcina, in ipoteza ca tensiunea de intrare si factorul de umplere raman constante.Daca curentul de sarcina I_S scade spre o valoare limita I_SL, I_Lmin atinge valoarea zero.Convertorul se afla la limita conductiei intrerupte.Valoarea I_SL se determina din relatia (9) punand conditia I_Lmin=0. Ca urmare :

(11)

In cazul in care, tensiunea de intrare variaza intre U_Imin si U_Imax, se poate demonstra ca I_L are variatia maxima atunci cand U_I atinge valoarea maxima adica δ=δ_min ( in ipoteza mentinerii constante a tensiunii de iesire ).

Relatia (11) devine :

(12)

FUNCTIONAREA IN CONDUCTIE INTRERUPTA

Daca I_Lmin=0, inainte ca tranzistorul T sa se deschida, convertorul functioneaza in conductie intrerupta.

Formele de unda ce descriu functionarea acestui regim sunt prezentate in figura 2b.

Neglijand pierderile din circuit putem scrie:

(13)

unde P_I, P_S reprezinta absorbita, respective debitata de convertor.

Relatia (13) se poate scrie si sub forma :

(14)

Unde : I_I este valoarea medie a curentului absorbit de convertor, egala cu valoarea medie a curentului prin tranzistor.

Tinand seama de figura 2b se deduce imediat :

(15)

Dar, (16)

Inlocuind relatia (16) in (15) se obtine :

(17)

Revenind la relatia (14), dupa cateva calcule simple rezulta :

(18)

Unde am notat :

(19)

tensiunea de iesire normala, respectiv curentul de iesire normal.

Caracteristicile de iesire ale convertorului sunt prezentate in figura 3 pentru diferite valori ale factorului de umplere.Curba punctata delimiteaza zona de conductie intrerupta de zona de conductie neintrerupta situata in dreapta ei.Se observa ca in conductie intrerupta tensiunea de iesire este puternic dependenta de curentul de iesire.

DIMENSIONAREA ELEMENTELOR COMPONENTE

Bobina L

Din relatia (10) se poate determina inductivitatea minima necesara pentru evitarea conductiei intrerupte pentru o anumita valoare limita I_SL a curentului de sarcina :

(20)

Fig.3 Caracteristicile de iesire.

CARACTERISTICILE DE IESIRE

In situatia cea mai critica, care apare asa cum am discutat in cazul cand U_I atinge valoarea maxima, relatia (20) devine:

(21)

TRANZISTORUL  T

Curentul prin transistor atinge valoarea maxima, cand curentul de sarcina este maxim si factorul de umplere este minim.Cand tensiunea de iesire este constanta aceasta implica tensiune de intrare maxima.Deci se poate scrie (tinand cont de relatia(10)):

(22)

Tensiunea maxima pe tranzistor este data de relatia :

(23)

DIODA  D

Curentul maxim si tensiunea maxima suportate de dioda sunt date de relatiile (figura2) :

(24), (25)

CONDENSATORUL DE IESIRE C

In analiza pe care am facut-o, s-a presupus un condensator cu capacitate suficient de mare, astfel incat sa putem considera tensiunea de iesire constanta.In realitate, tensiunea pe condensator are o anumita variatie Δu_S (figura 2).Pentru calculul condensatorului se pleaca de la variatia maxima admisa ΔU_S a tensiunii de iesire.Notand cu ΔQ sarcina transferata spre condensator (aria hasurata in figura 2a) de curentul :

(26)

vom avea :

(27)

Pe de alta parte :

(28)

Din relatiile (27) si (28) rezulta :

(29)

La alegerea condensatorului trebuie sa se tina seama si de valoarea efectiva a curentului ce il strabate :

(30)

MONTAJUL EXPERIMENTAL

Montajul asupra caruia se efectueaza masuratorile este prezentat in figura 4.Elementele convertorului coborator cc-cc sunt L₀ C₀ si D₀ iar elementele circuitului de comanda si control sunt : referinta de tensiune, regulatorul de tensiune si convertorul tensiune factor de umplere.De asemenea sursa este prevazuta cu protectie la supracurent.

MOD DE LUCRU

Se alimenteaza montajul cu tensiunile +20V si - 10V.Se conecteaza la iesire un ampermetru in serie cu o rezistenta de sarcina reglabila si un voltmetru numeric.

Se pune comutatorul pe pozitia 'manual' si se modifica cu ajutorul potentiometrului tensiunea aplicata convertorului tensiune factor de umplere.Cu ajutorul osciloscopului se determina perioadele T si T_C.Rezultatele se trec in tabelul 1 :

Pentru U_C= 0V se vor vizualiza cu ajutorul osciloscopului formele de unda ale curentilor si tensiunile in principalele puncte de masura.

Se repeta punctul 3 pentru U_C= 3V si U_C= -3V.

Se determina variatia tensiunii U_S in functie de variatia tensiunii de sarcina mentinand tensiunea U_I= 20V.

Variind tensiunea U_I intre 20V si 30V se determina variatia tensiunii U_S, rezultatele se vor trece in tabelul 2 :

PRELUCRAREA  DATELOR

Se deseneaza formele de unda pentru regim de conductie neintrerupta.

Se deseneaza formele de unda pentru regim de conductie intrerupta.

Pe baza formelor de unda vizualizate se determina inductia L₀ si capacitatea C₀.

Se ridica caracteristica U_S=f(I_S) si se determina rezistenta de iesire a sursei.

Se determina factorul de stabilizare in raport cu tensiunea de intrare.

Se va raspunde la urmatoarele intrebari :

a)     Care sunt cauzele diferentelor intre formele de unda vizualizate si formele de unda deduse teoretic ?

b)     Cum influenteaza rezistenta de masura introdusa in serie cu condensatorul C₀ functionarea circuitului ?

EXPERIMENTARE

Convertor cc-cc coborator (Buck)

1. Cronograme convertor cc-cc coborator

Mod de lucru

Alimentati circuitul din Fig.1. cu V_I=10V si conectati la iesire rezistenta de sarcina R_L1=50Ω. Circuitul se realizeaza conectand J2 cu J3, J4 cu J5, J7 cu J8, J11 cu J12 si R1 inchis.

In baza tranzistorului de comanda M₁ aplicati un semnal dreptunghiular v_cmd de la generatorul de semnale cu amplitudinea 10V, frecventa 33KHz si factor de umplere al comenzii tranzistorului f_U=50%.

Vizualizati cronogramele urmatoarelor semnale:

o      de comanda v_cmd (t) si pe rezistenta R₄, v_R4(t) intre punctele J13 si GND (rezistenta R₄ are rolul de traductor de curent pentru i_D3(t));

o      de comanda v_cmd (t) si pe rezistenta R₅, v_R5(t) intre punctele J14 si GND (rezistenta R₅ are rolul de traductor de curent pentru i_C1(t));

o      de comanda v_cmd (t) si de iesire v_O(t). Tensiunea de iesire se masoara intre punctele OUT si GND, pentru punctul J14 conectat la masa.

REZULTATE

Desenati semnalele v_cmd (t), v_O(t), v_L2(t), i_RL(t), i_C1(t), i_L1(t), i_D3(t) si i_I(t).

2. Verificarea relatiei dintre tensiunea de intrare si tensiunea de iesire

Vizualizati semnalele de comanda v_cmd(t) si de iesire v_O(t) pentru R_L1=50Ω si determinati raportul V_O/V_I.

Modificati valoarea semnalului de intrare si amplitudinea semnalului de comanda la 8V. Masurati din nou tensiunea de iesire si redeterminati raportul V_O/V_I.

REZULTATE

Valoarea raportului V_O/V_I pentru V_I=10V.

Valoarea raportului V_O/V_I pentru V_I=8V.

3. Variatia ondulatiei tensiunii de iesire Δv_O cu sarcina

Pentru circuitul din Fig.1. cu R_L1 aplicati din nou semnalul v_cmd cu f_U=50%. Copiati valorile v_O si Δv_O obtinute la E1.2.

La iesire inlocuiti rezistenta de sarcina R_L1 cu R_L2 de valoare 75Ω prin deconectarea lui R1 si conectarea jumperului pe pozitia R2. Vizualizati semnalele de comanda si de iesire, masurati semnalul de iesire v_O precum si ondulatia semnalului de iesire Δv_O.

REZULTATE

Valoarea V_O si v_O pentru f_U=50% (copiate de la E.1.2.)

Desenati v_cmd (t), si v_O(t) obtinute pentru R_L2.

Valorile V_O si Δv_O pentru R_L2