Regulátory spínacieho napätia

V impulzných regulátoroch napätia (konvertoroch) pracuje aktívny prvok (zvyčajne tranzistor s efektom poľa) v impulznom režime: riadiaci spínač sa striedavo otvára a zatvára a dodáva napájacie napätie impulzmi do prvku akumulujúceho energiu. V dôsledku toho sú prúdové impulzy privádzané cez tlmivku (alebo cez transformátor, v závislosti od topológie konkrétneho spínacieho regulátora), ktorý často pôsobí ako prvok, ktorý akumuluje, premieňa a uvoľňuje energiu v zaťažovacom obvode.

Impulzy majú určité časové parametre: nasledujú s určitou frekvenciou a majú určité trvanie. Tieto parametre závisia od veľkosti záťaže, ktorá je momentálne napájaná stabilizátorom, pretože je to priemerný induktorový prúd, ktorý nabíja výstupný kondenzátor a skutočne napája záťaž k nemu pripojenú.

V štruktúre impulzného stabilizátora možno rozlíšiť tri hlavné funkčné jednotky: spínač, zariadenie na ukladanie energie a riadiaci obvod.Prvé dva uzly tvoria výkonovú časť, ktorá spolu s tretím tvorí kompletný obvod premeny napätia. Niekedy môže byť spínač vyrobený v rovnakom kryte ako riadiaci obvod.

Takže práca impulzného meniča sa vykonáva v dôsledku zatvárania a otvárania elektronický kľúč… Keď je spínač zatvorený, zásobník energie (tlmivka) je pripojený k zdroju energie a ukladá energiu, a keď je otvorený, zásobník je odpojený od zdroja a okamžite pripojený k obvodu záťaže, po ktorom sa energia sa prenáša do filtračného kondenzátora a do záťaže.

V dôsledku toho pôsobí na záťaž určitá priemerná hodnota napätia, ktorá závisí od trvania a frekvencie opakovania riadiacich impulzov. Prúd závisí od zaťaženia, ktorého hodnota nesmie presiahnuť povolenú hranicu pre tento menič.

PWM a PWM

Princíp stabilizácie výstupného napätia impulzného meniča je založený na kontinuálnom porovnávaní výstupného napätia s referenčným napätím a v závislosti od nesúladu týchto napätí riadiaci obvod automaticky obnoví pomer doby trvania rozpojenia a zatvorené stavy spínača (mení šírku riadiacich impulzov s pulzná šírková modulácia — PWM) alebo zmení frekvenciu opakovania týchto impulzov, pričom ich trvanie udržiava konštantné (pomocou pulznej frekvenčnej modulácie – PFM). Výstupné napätie sa zvyčajne meria odporovým deličom.

Predpokladajme, že výstupné napätie pri zaťažení v určitom bode klesá, je menšie ako nominálne.V tomto prípade regulátor PWM automaticky zväčší šírku impulzu, to znamená, že procesy ukladania energie v tlmivke sa predĺžia, a preto sa do záťaže prenesie viac energie. V dôsledku toho sa výstupné napätie vráti na nominálnu hodnotu.

Ak stabilizácia funguje podľa princípu PFM, potom s poklesom výstupného napätia pri zaťažení sa frekvencia opakovania impulzov zvýši. V dôsledku toho sa do záťaže prenesie viac častí energie a napätie sa bude rovnať požadovanej hodnote. Tu by bolo vhodné povedať, že pomer trvania zopnutého stavu spínača k súčtu trvania jeho zopnutých a otvorených stavov je takzvaný pracovný cyklus DC.

Vo všeobecnosti sú impulzné meniče dostupné s galvanickým oddelením a bez neho.V tomto článku sa pozrieme na základné obvody bez galvanického oddelenia: boost, buck a invertujúce meniče. Vo vzorcoch je Vin vstupné napätie, Vout výstupné napätie a DC je pracovný cyklus.

Negalvanicky oddelený konvertor buck-buck konvertor alebo znižovací menič

Kláves T sa zatvorí. Keď je spínač zatvorený, dióda D je zablokovaná, prúd tečie plyn L a cez zaťaženie R sa začína zvyšovať. Kľúč sa otvorí. Keď je spínač otvorený, prúd cez tlmivku a cez záťaž, aj keď klesá, pokračuje v toku, pretože nemôže okamžite zmiznúť, len teraz je obvod uzavretý nie cez spínač, ale cez diódu, ktorá sa otvorila.

Spínač sa opäť zatvorí.Ak počas doby, kedy bol spínač otvorený, nestihol prúd cez tlmivku klesnúť na nulu, tak teraz sa opäť zvýši.Takže cez tlmivku a cez záťaž pôsobí stále pulzujúci prúd (ak by tam nebol kondenzátor). Kondenzátor vyhladzuje zvlnenie, takže zaťažovací prúd je takmer konštantný.

Výstupné napätie v prevodníku tohto typu je vždy menšie ako vstupné napätie, ktoré je tu prakticky rozdelené medzi tlmivku a záťaž. Jeho teoretickú hodnotu (pre ideálny prevodník – bez ohľadu na straty spínača a diódy) možno zistiť pomocou nasledujúceho vzorca:

Boost konvertor bez galvanického oddelenia - boost konvertor

Spínač T je zatvorený. Keď je spínač zatvorený, dióda D je uzavretá, prúd cez induktor L sa začína zvyšovať. Kľúč sa otvorí. Prúd naďalej preteká cez induktor, ale teraz cez otvorenú diódu a napätie na induktore sa pripočítava k napätiu zdroja. Konštantné napätie na záťaži R je udržiavané kondenzátorom C.

Spínač sa zatvorí, prúd tlmivky opäť stúpa. Výstupné napätie meniča tohto typu je vždy vyššie ako vstupné napätie, pretože napätie na induktore sa pripočítava k napätiu zdroja. Teoretickú hodnotu výstupného napätia (pre ideálny menič) možno nájsť pomocou vzorca:

Invertný menič bez galvanického oddelenia-buck-boost-converter

Spínač T je zatvorený. Tlmivka L uchováva energiu, dióda D je zatvorená. Spínač je otvorený – tlmivka napája kondenzátor C a záťaž R. Výstupné napätie tu má zápornú polaritu.Jeho hodnotu možno nájsť (v ideálnom prípade) podľa vzorca:

Na rozdiel od lineárnych stabilizátorov majú spínacie stabilizátory vyššiu účinnosť vďaka menšiemu zahrievaniu aktívnych prvkov, a preto vyžadujú menšiu plochu radiátora. Typickými nevýhodami spínacích stabilizátorov je prítomnosť impulzného šumu vo výstupných a vstupných obvodoch, ako aj dlhšie prechodové javy.