Stabilizator cu convertor step-down (buck)

Obiectivele lucrării:

- studiul proprietăţilor statice ale stabilizatorului de tensiune care foloseşte convertor step-down

- studiul procesului tranzitoriu în stabilizator (efectul perturbaţiilor rapide de la sarcină şi

alimentare, nivelul zgomotului de comutaţie)

- evidenţierea fenomenelor la epuizarea energiei din bobină şi la comutaţia diodei

Aparate necesare: sursă stabilizată 15V, 1,5A, sursă nestabilizată 15V, 1,5A, ampermetru,

voltmetru numeric 5 digiţi, platformă TPS54233-EVM (sau similare), rezistenţă de sarcină variabilă

3Ω - 33 Ω/1A, sarcină în impulsuri 3Ω - 33 Ω/1A, osciloscop

Breviar teoretic

Figura 1: Structura convertorului step-down Figura 2: Diagrame de timp ale semnalelor

Convertorul step-down (sau buck sau coborîtor de tensiune) este un convertor cc-cc, folosit

pentru obţinerea unei tensiuni pe sarcină mai mici decît tensiunea de alimentare. Structura tipică a

convertorului step-down este cea din figura 1, unde dispozitivul de comutaţie a fost figurat cu

simbolul K. Diagramele de timp ale tensiunii u1 şi curentului iL prin bobină sînt prezentate în figura

2 (a fost presupus regimul de curent neîntrerupt prin bobină). O explicaţie sumară a funcţionării

convertorului: cînd dispozitivul de comutaţie este în conducţie, dioda este blocată iar curentul prin

bobină creşte. Cînd K este blocat, curentul prin bobină continuă în acelaşi sens (datorită energiei

înmagazinate), prin sarcină şi diodă. În figura 2 se observă valoarea negativă a tensiunii, în

intervalul în care K este blocat iar energia din bobină se descarcă prin dioda D şi sarcină. Se mai

observă forma continuă a curentului (nu are discontinuităţi). Tensiunea de sarcină aproximativă este

dată de relaţia:

Us E ,

unde variabila  este factorul de umplere al comenzii dispozitivului de comutaţie (durata

conducţiei, raportată la perioada comutaţiei):

on

on off

T

T T

 



.

Se pot deduce relaţii mai precise pentru determinarea tensiunii pe sarcină, dar relaţia aproximativă

este suficientă pentru o analiză preliminară a stabilizatorului, deoarece convertorul este cuprins într-

o buclă de reglare automată a tensiunii, avînd rolul de element de execuţie (engl. actuator).

Dinamica convertorului (răspunsul la perturbaţii şi răspunsul la variaţiile comenzii) depinde

de regimul energiei din bobină şi de ordinul filtrului LC. Presupunînd un regim de curent

neîntrerupt al curentului prin bobină, comportarea convertorului este liniară, în raport cu mărimile

enunţate mai sus. Filtrul din figura 1 este de ordinul 2 (acumularea energiei în L şi C), astfel încît

L. Frangu: Surse de alimentare, îndrumar de laborator, 2016

2

determină forma tensiunii pe sarcină din figura 3 (regim staţionar) şi forma răspunsului în timp la o

variaţie a comenzii ca în figura 4.

Figura 3: Tensiunea pe sarcină, filtru LC Figura 4: Răspunsul la variaţia comenzii

Funcţia de transfer aproximativă a răspunsului la perturbaţia de la alimentare este dată de relaţia:

unde parametrul

Ton Toff

- este raportul dintre perioada comutaţiei şi constanta de timp a

filtrului (în acest caz: LC ).

Varianta cu filtru LC este cea mai des folosită pentru stabilizatoare de tensiune (pentru

alimentarea aparatelor electronice). În absenţa condensatorului C, filtrul este de ordinul 1, tensiunea

pe sarcină va avea aceeaşi formă ca a curentului prin bobină, din figura 2. Varianta cu filtru L nu

este adecvată stabilizatoarelor, deoarece determină un zgomot mare pe sarcină, dar este populară în

convertoarele folosite pentru acţionarea electrică, unde dinamica motorului este sigur mai lentă

decît a circuitului electric, iar zgomotul de frecvenţă mare nu deranjează.