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 NEINTRERUPTAb. 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 IS scade spre o valoare limita ISL, ILmin atinge valoarea zero.Convertorul se afla la limita conductiei intrerupte.Valoarea ISL se determina din relatia (9) punand conditia ILmin=0. Ca urmare :

(11)

In cazul in care, tensiunea de intrare variaza intre UImin si UImax, se poate demonstra ca ΔIL are variatia maxima atunci cand UI atinge valoarea maxima adica δ=δmin ( in ipoteza mentinerii constante a tensiunii de iesire ).

Relatia (11) devine :

(12)

FUNCTIONAREA IN CONDUCTIE INTRERUPTA

Daca ILmin=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 PI, PS reprezinta absorbita, respective debitata de convertor.Relatia (13) se poate scrie si sub forma :

(14)

Unde : II 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 ISL 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 UI 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 ΔuS (figura 2).Pentru calculul condensatorului se pleaca de la variatia maxima admisa ΔUS 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

1) 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.

2) 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 TC.Rezultatele se trec in tabelul 1 :

UC[V] -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

TC[μS]

US[V]

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

4) Se repeta punctul 3 pentru UC= 3V si UC= -3V.5) Se determina variatia tensiunii US in functie de variatia

tensiunii de sarcina mentinand tensiunea UI= 20V.6) Variind tensiunea UI intre 20V si 30V se determina variatia

tensiunii US, rezultatele se vor trece in tabelul 2 :

UI[V] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30US[V]

PRELUCRAREA DATELOR

1) Se deseneaza formele de unda pentru regim de conductie neintrerupta.

2) Se deseneaza formele de unda pentru regim de conductie intrerupta.

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

4) Se ridica caracteristica US=f(IS) si se determina rezistenta de iesire a sursei.

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

6) 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 coborâtor (Buck)

1. Cronograme convertor cc-cc coborâtor

Mod de lucru

Alimentaţi circuitul din Fig.1. cu VI=10V şi conectaţi la ieşire rezistenţa de sarcină RL1=50Ω. Circuitul se realizează conectând J2 cu J3, J4 cu J5, J7 cu J8, J11 cu J12 şi R1 închis.

În baza tranzistorului de comandă M1 aplicaţi un semnal dreptunghiular vcmd de la generatorul de semnale cu amplitudinea 10V, frecvenţa 33KHz şi factor de umplere al comenzii tranzistorului fU=50%.

Vizualizaţi cronogramele următoarelor semnale:

Fig.1. Convertor cc-cc coborâtor.

R 4

1

C in

1 0 0 0 u

V I1 0 V d c

D 3

M B R 0 4 0

M 1I R F 9 1 3 0 L 1

1 m

1 2

V c m d

TD = 0

TF = 1 nP W = 1 6 . 7 uP E R = 3 3 . 3 u

V 1 = 0

TR = 1 n

V 2 = 1 0

R L

5 0

0

R 5

1

C 1

2 2 0 u

o de comandă vcmd (t) şi pe rezistenţa R4, vR4(t) între punctele J13 şi GND (rezistenţa R4 are rolul de traductor de curent pentru iD3(t));

o de comandă vcmd (t) şi pe rezistenţa R5, vR5(t) între punctele J14 şi GND (rezistenţa R5 are rolul de traductor de curent pentru iC1(t));

o de comandă vcmd (t) şi de ieşire vO(t). Tensiunea de ieşire se măsoară între punctele OUT şi GND, pentru punctul J14 conectat la masă.

REZULTATE Desenaţi semnalele vcmd (t), vO(t), vL2(t), iRL(t), iC1(t), iL1(t), iD3(t) şi

iI(t).

2. Verificarea relaţiei dintre tensiunea de intrare şi tensiunea de ieşire

Vizualizaţi semnalele de comandă vcmd(t) şi de ieşire vO(t) pentru RL1=50Ω şi determinaţi raportul VO/VI.

Modificaţi valoarea semnalului de intrare şi amplitudinea semnalului de comandă la 8V. Măsuraţi din nou tensiunea de ieşire şi redeterminaţi raportul VO/VI.

REZULTATE Valoarea raportului VO/VI pentru VI=10V. Valoarea raportului VO/VI pentru VI=8V.

3. Variaţia ondulaţiei tensiunii de ieşire ΔvO cu sarcina Pentru circuitul din Fig.1. cu RL1 aplicaţi din nou semnalul vcmd

cu fU=50%. Copiaţi valorile vO şi ΔvO obţinute la E1.2. La ieşire înlocuiţi rezistenţa de sarcină RL1 cu RL2 de valoare 75Ω

prin deconectarea lui R1 şi conectarea jumperului pe poziţia R2. Vizualizaţi semnalele de comandă şi de ieşire, măsuraţi semnalul de ieşire vO precum şi ondulatia semnalului de ieşire ΔvO.

REZULTATE Valoarea VO şi ΔvO pentru fU=50% (copiate de la E.1.2.) Desenaţi vcmd (t), şi vO(t) obţinute pentru RL2. Valorile VO şi ΔvO pentru RL2.