Surse de alimentare

Oricine ştie că pentru buna funcţionare a circuitelor electrice acestea trebuie să fie alimentate cu energie electrică. Un lucru mai puţin cunoscut este faptul că această energie electrică nu poate fi livrată oricum ci trebuie să corespundă cerinţelor impuse de respectivele circuite electrice. Pentru acest lucru avem nevoie de nişte circuite speciale cunoscute sub numele de surse de alimentare.
Într-o altă ordine de idei, îţi poţi închipui sursele de alimentare ca fiind „bucătăria” oricărui aparat electronic, adică locul în care energia electrică brută este transformată în energie electrică preparată exact pe gustul circuitelor electrice.
 oate circuitele electrice sunt proiectate să lucreze cu o anumită tensiune de alimentare considerată optimă. În practică însă, tensiunile de alimentare variază între anumite limite. Unele circuite sunt mai tolerante faţă de aceste variaţii, altele mai puţin. Pentru a rezolva problema acestor variaţii au fost dezvoltate o serie de circuite care la intrare acceptă o tensiune electrică variabilă (între anumite limite) şi oferă la ieşire o tensiune electrică mai mică dar foarte stabilă. Aceste circuite poartă denumirea de stabilizatoare de tensiune iar astăzi vom începe să le cunoaştem pe cele mai simple dintre ele: stabilizatoarele de tensiune liniare.

• Ce este un stabilizator de tensiune liniar;
• Stabilizatorul de tensiune paralel;
• Stabilizatorul de tensiune serie;
• Stabilizatoare de tensiune liniare integrate;

Ce este un stabilizator de tensiune liniar ?

Stabilizatorul de tensiune liniar presupune existenţa unei componente electrice active – diodă sau tranzistor (numit şi element activ) – care îşi ajustează rezistenţa electrică internă astfel încât tensiunea de la ieşirea stabilizatorului să fie constantă. Cu alte cuvinte, elementul activ nu face altceva decât să gâtuie mai mult sau mai puţin curgerea curentului electric prin el astfel încât tensiunea electrică de la ieşirea stabilizatorului sa rămână constantă. Această variaţie de rezistenţă internă tinde să contracareze efectul variaţiei tensiunii de intrare sau a variaţiei curentului consumat la ieşire în următoarele moduri:

• dacă tensiunea de intrare creşte, elementul activ îşi creşte rezistenţa internă pentru a impiedica creşterea tensiunii la ieşire. În mod similar, scăderea tensiunii de intrare produce scăderea rezistenţei interne a elementului activ;
• dacă sarcina conectată la ieşire cere un curent mai mare de la stabilizator, elementul activ se deschide mai mult împiedicând astfel scăderea tensiunii de ieşire. În mod similar, scăderea curentului cerut de sarcina de la ieşire produce creşterea rezistenţei interne a elementului activ.

Oricum ar varia tensiunea de intrare sau curentul de sarcină, elementul activ răspunde într-un mod liniar, proporţional:

• dacă tensiunea de intrare creşte cu 15%, elementul activ îşi creşte rezistenţa internă tot cu 15%;
• dacă sarcina conectată la ieşirea stabilizatorului cere un curent de 10 ori mai mare, elementul activ îşi reduce rezistenţa internă tot de 10 ori.

În acest moment putem trage concluzia cum că: stabilizatorul liniar este un stabilizator al cărui element activ, în funcţionare normală, este mereu parcurs de un anumit curent electric.
Într-o altă ordine de idei, putem spune că un stabilizator liniar nu poate funcţiona dacă elementul activ este complet deschis sau complet închis. Asta ar însemna că la ieşire am avea ori exact aceeaşi tensiune ca şi la intrare ori nu am avem deloc tensiune (şi implicit nici vorbă de stabilizare).
Ştim că treaba unui stabilizator de tensiune este să menţină la ieşire o tensiune constantă. Dar de unde ştie el la ce valoare trebuie să menţină acea tensiune ? Pentru a rezolva această problemă, stabilizatorul are nevoie de o tensiune etalon numită tensiune de referinţă. În funcţionarea sa, stabilizatorul compară mereu tensiunea de ieşire cu tensiunea de referinţă iar dacă este sesizată vreo diferenţă, elementul activ îşi modifică rapid rezistenţa internă astfel încât cele două tensiuni să devină egale.
O.K., am discutat destul la modul general. Este timpul să ne concentrăm pe funcţionarea propriu-zisă a principalelor tipuri de stabilizatoare liniare.

Stabilizatorul de tensiune paralel

Cea mai simplă formă de stabilizator de tensiune paralel este cea prezentată în figura 1. Precizez că atât în figura 1 cât şi în celelalte, bulinele colorate în roşu simbolizează borne pozitive iar cele colorate în albastru reprezintă borne negative.
Denumirea de paralel vine de la faptul că elementul activ este conectat în paralel cu ieşirea stabilizatorului. Revenind la figura 1 vedem că dioda D este polarizată invers, deci în aparenţă ea nu ar trebui să conducă curent electric şi deci ar fi ca şi cum nici nu ar exista. Însă dacă ne uităm atent vom vedea că simbolul acesteia corespunde cu simbolul unei diode Zenner. Aşa cum spuneam şi aici, diodele zenner pot fi văzute ca nişte diode obişnuite despre care ştim precis care este tensiunea de străpungere (tensiunea de la care încep să conducă curent electric atunci când sunt polarizate invers). Reevaluând acum schema din figura 1, ne dăm seama că dacă tensiunea de intrare V_IN creşte peste „tensiunea de străpungere” a diodei Zenner, aceasta va începe să conducă curent electric. În practică în cazul unei diode Zenner nu se foloseşte denumirea de „tensiune de străpungere” ci cea de tensiune Zenner.
Într-o altă ordine de idei, dioda Zenner D din figura 1 acţionează ca o supapă:

• închisă – dacă V_IN este mai mic decât tensiunea Zenner a acesteia. În acest caz dioda D nu are nici o influenţă în circuit iar V_IN = V_OUT.
• deschisă – dacă V_IN este mai mare decât tensiunea Zenner a acesteia. În acest caz, cu cât V_IN creşte mai mult, cu atât dioda D se deschide şi ea mai mult împiedicând creşterea tensiunii de ieşire V_OUT peste valoarea tensiunii Zenner.

În circuit mai observăm şi o rezistenţă R. Rolul acesteia este acela de a limita curentul care intră în diodă, pentru a evita distrugerea acesteia. Totodată, prezenţa rezistenţei R ridică o problemă: curentul de ieşire al stabilizatorului trece şi el prin această rezistenţă producând pierderi de energie sub forma de căldură. Puterea electrică pierdută pe o anumită componentă de circuit electric poate fi scrisă sub forma:

Din ecuaţia de mai sus ne dăm seama că dacă vrem să obţinem un curent de ieşire mare, pe rezistenţa R vom pierde foarte multă putere electrică. Prima soluţie care ne vine în gând este să reducem valoarea rezistenţei R, însă în acest caz în dioda Zenner vor apare curenţi mai mari care o pot distruge. Aşadar, nu putem alege la întâmplare nici valoarea lui R şi nici dioda Zenner D. Ca să fac lucrurile mai simple pentru tine am publicat aici un calculator care să te ajute să alegi uşor valorile componentelor din figura 1.

Figura 1. Stabilizator liniar paralel cu diodă Zenner pentru tensiune pozitivă (stânga) şi pentru tensiune negativă (dreapta).

Am vorbit mai sus de noţiunea de tensiune de referinţă şi acum probabil te intrebi cine din figura 1 se ocupă de treaba asta. Răspunsul este: dioda Zenner D. Cu alte cuvinte, în acest caz tensiunea Zenner este tensiunea de referinţă a stabilizatorului nostru. Aşa că dacă vrei ca un stabilizator ca cel din figura 1 să-ţi dea la ieşire 12 [V], trebuie să foloseşti o diodă Zenner care are tensiunea Zenner de 12 [V].
Am spus că rolul rezistenţei R este acela de a evita ca prin dioda D să treacă un curent mai mare decât cel declarat de producător. În gol (când la ieşirea stabilizatorului nu este conectat nici un consumator) dioda D trebuie să înghită singură tot curentul care poate trece prin rezistenţa R. Asta înseamnă că valoarea maximă a curentului de ieşire nu poate fi mai mare decât curentul maxim admis prin dioda D (de către rezistenţa R). Ţinând cont de parametrii diodelor Zenner obişnuite, concluzia finală este că nu putem folosi schema din figura 1 decât pentru curenţi de ieşire de maxim câteva zeci de miliamperi [mA].
Şi totuşi ce ne facem dacă avem nevoie de un curent de ieşire mai mare de câteva zeci de [mA] ? Pentru a lărgi gama de curenţi de ieşire a schemei din figura 1 trebuie să adăugăm un tranzistor conectat în aşa fel încât să simuleze o diodă Zenner cu mult mai solidă (care poate înghiţi curenţi mult mai mari). Figura 2 prezintă un astfel de artificiu.

Figura 2. Stabilizator liniar paralel cu diodă Zenner şi tranzistor pentru tensiune pozitivă (stânga) şi pentru tensiune negativă (dreapta).

Se observă că dioda D este înseriată cu jonctiunea BE a tranzistorului T şi deci tot ce trece prin dioda D trece şi prin joncţiunea BE a tranzistorului T. Cum tranzistorul este capabil de amplificare în curent, înseamnă că atunci când prin dioda D va trece un curent (să-i zicem) I_D , între colectorul şi emitorul tranzistorului T va trece un curent de β ori mai mare decat I_D (β fiind factorul de amplificare în curent al tranzistorului T). Luând exemplul unei diode suporta maxim 10 [mA], dacă îi adăugăm un tranzistor cu β = 100 conectat aşa ca în figura 2, atunci când prin diodă vor trece I_D = 10 [mA] prin tranzistor vor trece β x I_D = 10 [mA] x 100 = 1000 [mA] = 1[A]. În acest caz, curentul de ieşire al stabilizatorului nu va mai fi limitat la cei 10 [mA] amărâţi pe care îi suportă dioda D ci tocmai la 1000 [mA] = 1[A] ;). Detalii despre alegerea valorilor componetelor pentru schema din figura 2.

Adaugarea tranzistorului T mai are un mic efect:   tensiunea de referinta nu mai este data doar de tensiunea Zenner a diodei D pentru ca acum aceasta este inseriata cu jonctiunea BE a tranzistorului T. In acest caz tensiunea de referinta este data de suma dintre tensiunea Zenner a diodei D si tensiunea de deschidere a jonctiunii BE (circa 0,65V).

Acum apare întrebarea „cum anume reuşeşte tranzistorul T să menţină între colector şi emitor o tensiune V_OUT egală cu tensiunea de referinţă” ? Pai,

• dacă tranzistorul T s-ar deschide atât de tare încât V_OUT să scadă sub tensiunea de referinţă, dioda D s-ar bloca şi astfel tranzistorul şi-ar fura singur semnalul de comandă (curentul de bază);
• dacă tranzistorul T s-ar deschide prea puţin lăsând tensiunea de ieşire să crească mult peste tensiunea de referinţă, dioda D ar fi practic lăsată să înghită singură mai mult curent. Asta ar însemna de fapt creşterea curentului de baza al tranzistorului T. Având un curent de baza mai mare, tranzistorul T va înghiţi un curent mai mare şi astfel se va opune creşterii lui V_OUT peste valoara tensiunii de referinţă.

Stabilizatorul liniar paralel oferă o modalitate simplă de obţinere a unei tensiuni stabilizate foarte precise şi nu necesită nici un fel de protecţie la suprasarcină. Are însă dezavantajul că are cel mai mic randament dintre toate tipurile de stabilizatoare. Mai mult, fie că avem sau nu consumatori conectaţi la V_OUT, stabilizatorul paralel consumă aceeaşi cantitate de energie electrică. Pentru a ameliora aceasta ultimă problemă există varianta utilizării stabilizatorului liniar serie.

Stabilizatorul de tensiune serie

Denumirea de serie vine de la faptul că elementul activ este conectat în serie cu consumatorul de la ieşire. Schema stabilizatorului serie este prezentată în figura 3. Se observă că dioda Zenner D şi rezistenţa R formează tot o celulă de stabilizator paralel, care însă de această dată comandă un tranzistor conectat între V_IN şi V_OUT. Considerentele alegerii rezistenţei R şi diodei Zenner D sunt aceleaşi ca şi la stabilizatorul paralel: rezistenţa R trebuie să limiteze curentul prin dioda Zenner D sub valoarea maximă declarată de producător. Tranzistorul T este montat într-o conexiune de tip repetor pe emitor, adică oferă pe emitor aproximativ aceeaşi tensiune ca cea primită pe bază. Am spus aproximativ deoarece din tensiunea primită pe bază se mai pierd circa 0,65 [V] pe joncţiunea BE a tranzistorului T. Cu alte cuvinte, în cazul stabilizatorului serie:

• tensiunea de referinţă este egală cu tensiunea Zenner a diodei D;
• tensiunea de ieşire V_OUT este mai mică cu circa 0,65 V decât tensiunea de referinţă.

Figura 3. Stabilizator liniar serie pentru tensiune pozitivă (stânga) şi pentru tensiune negativă (dreapta).

În comparaţie cu stabilizatorul paralel, stabilizatorul serie are marele avantaj de a avea pierderile de energie electrică proporţionale cu curentul consumat la ieşire. Principalul dezavantaj este faptul că nu poate tolera suprasarcini fără distrugerea elementului activ (a tranzistorului T din figura 3). De aceea, dacă există riscul apariţiei unui scurtcircuit la ieşire sau măcar a unei suprasarcini, se impune utilizarea unui circuit de protecţie cum ar fi de exemplu cel din figura 4.

Figura 4. Protecţie la suprasarcină pentru stabilizatoarele liniare serie. În stânga este prezentată varianta pentru tensiune pozitivă iar în dreapta cea pentru tensiune negativă.

Protecţia include un „senzor de curent” în persoana rezistenţei R₂ care este conectată între baza şi emitorul tranzistorului T₂. Dacă valoarea curentului de ieşire este foarte mică, pe rezistenţa R₂ va apare o tensiune mai mică decat 0,65 [V], motiv pentru care tranzistorul T₂ nu va influenţa cu nimic funcţionarea stabilizatorului nostru. Când însă curentul de ieşire creşte foarte mult (de exemplu în cazul unui scurtcircuit pe ieşire) tensiunea pe rezistenţa R₂ creşte peste 0,65 [V] comandând deschiderea lui T₂ care imediat începe să scurtcircuiteze baza şi emitorul lui T₁. În acest mod, pentru curenţi anormal de mari, T₂ blochează funcţionarea lui T₁ salvându-l astfel de la o distrugere iminentă. Bineînţeles, valoarea curentului la care această protecţie intră în funcţiune depinde de valoarea lui R₂.

Stabilizatoare de tensiune liniare integrate

O alternativă foarte des întalnită la stabilizatoarele cu componente discrete prezentate mai sus sunt stabilizatoarele liniare integrate. Acestea reunesc într-o singură capsula toate componentele necesare unui stabilizator liniar performant din toate punctele de vedere. Cel mai întâlnit exemplu este cel al stabilizatoarelor integrate din seria 78XX şi 79XX care arată aşa ca în figura 5. Primele două cifre din codul stabilizatorului reprezintă tipul tensiunii stabilizate (78XX este destinat tensiunilor pozitive, iar 79XX celor negative. Ultimele două cifre reprezintă valoarea tensiunii stabilizate. De exemplu, 7805 este un stabilizator de tensiune pozitivă care oferă la ieşire 5 [V], iar 7912 este un stabilizator de tensiune negativă care oferă la ieşire -12 [V].

Figura 5. Capsula stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 78XX şi 79XX.

Pentru a înţelege mai bine cum se folosesc aceste stabilizatoare integrate aruncă o privire peste figurile 6 şi 7. Pinii 1, 2 şi 3 indicaţi în aceste figuri corespund pinilor indicaţi în figura 5. Datasheet-ul stabilizatoarelor din seriile 78XX si 79XX spun că acestea includ protecţie la suprasarcină şi la supraîncălzire. Nu am testat personal aşa ca eu unul nu pot decât să sper că această informaţie este 100% adevarată :).

Figura 6. Schema de utilizare a stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 78XX.

Figura 7. Schema de utilizare a stabilizatoarelor de tensiune liniare din seria 79XX.

Stabilizatoarele de tensiune liniare permit obţinerea unor tensiuni de ieşire foarte stabile şi de valori foarte precise însă au un randament foarte prost: doar o mică parte din energia consumată la intrare este oferită la ieşire. Din acest motiv stabilizatoarele liniare, fie ele serie sau paralel, sunt folosite pentru a manipula puteri care rar depăşesc câţiva W. Pentru puteri mai mari dificultăţile şi costurile suplimentare implicate de răcirea elementelor active (a tranzistoarelor) impun utilizarea unor stabilizatoare de tensiune cu randament mai crescut. Despre acestea însă voi vorbi într-un articol viitor.
tabilizatoarele 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.