Regulatoare de tensiune de comutare

În regulatoarele de tensiune în impuls (convertoare), elementul activ (de obicei un tranzistor cu efect de câmp) funcționează în modul impuls: comutatorul de comandă se deschide și se închide alternativ, furnizând tensiunea de alimentare cu impulsuri elementului de acumulare de energie. Ca rezultat, impulsurile de curent sunt alimentate printr-o bobine (sau printr-un transformator, în funcție de topologia unui anumit regulator de comutare), care acționează adesea ca un element care acumulează, convertește și eliberează energie în circuitul de sarcină.

Pulsurile au anumiți parametri de timp: urmează cu o anumită frecvență și au o anumită durată. Acești parametri depind de dimensiunea sarcinii care este furnizată în prezent de stabilizator, deoarece curentul mediu al inductorului este cel care încarcă condensatorul de ieșire și alimentează de fapt sarcina conectată la acesta.

În structura unui stabilizator de impuls, se pot distinge trei unități funcționale principale: un comutator, un dispozitiv de stocare a energiei și un circuit de control.Primele două noduri formează o secțiune de putere, care, împreună cu al treilea, formează un circuit complet de conversie a tensiunii. Uneori comutatorul poate fi realizat în aceeași carcasă ca și circuitul de control.

Deci munca convertorului de impulsuri este realizată datorită închiderii și deschiderii cheie electronică… Când întrerupătorul este închis, dispozitivul de stocare a energiei (choke) este conectat la sursa de alimentare și stochează energie, iar când este deschis, dispozitivul de stocare este deconectat de la sursă și conectat imediat la circuitul de sarcină, după care energia este transferat la condensatorul de filtru și la sarcină.

Ca urmare, asupra sarcinii acționează o anumită valoare medie a tensiunii, care depinde de durata și frecvența de repetare a impulsurilor de control. Curentul depinde de sarcină, a cărei valoare nu trebuie să depășească limita admisă pentru acest convertor.

PWM și PWM

Principiul stabilizării tensiunii de ieșire a convertorului de impulsuri se bazează pe o comparație continuă a tensiunii de ieșire cu tensiunea de referință și, în funcție de discrepanța acestor tensiuni, circuitul de control restabilește automat raportul dintre durata deschiderii și stări închise ale comutatorului (schimbă lățimea impulsurilor de control cu modularea lățimii impulsului - PWM) sau modifică rata de repetare a acestor impulsuri, păstrând constantă durata acestora (prin intermediul modulării frecvenței impulsurilor — PFM). Tensiunea de ieșire este de obicei măsurată cu un divizor rezistiv.

Să presupunem că tensiunea de ieșire sub sarcină la un moment dat scade, devine mai mică decât valoarea nominală.În acest caz, controlerul PWM va crește automat lățimea impulsului, adică procesele de stocare a energiei în șoc vor deveni mai lungi și, în consecință, mai multă energie va fi transferată la sarcină. Ca rezultat, tensiunea de ieșire va reveni la valoarea nominală.

Dacă stabilizarea funcționează conform principiului PFM, atunci cu o scădere a tensiunii de ieșire sub sarcină, rata de repetare a impulsurilor va crește. Ca rezultat, mai multe părți de energie vor fi transferate la sarcină, iar tensiunea va fi egală cu valoarea nominală necesară. Aici ar fi potrivit să spunem că raportul dintre durata stării închise a comutatorului și suma duratei stărilor sale închis și deschis este așa-numitul ciclu de lucru DC.

În general, convertoarele de impulsuri sunt disponibile cu și fără izolație galvanică.În acest articol, ne vom uita la circuitele de bază fără izolație galvanică: convertoare boost, buck și inversoare. În formule, Vin este tensiunea de intrare, Vout este tensiunea de ieșire și DC este ciclul de lucru.

Convertor buck-convertor buck-convertor sau convertor step-down izolat galvanic

Tasta T se închide. Când comutatorul este închis, dioda D este blocată, curentul curge regulator L și peste sarcină R începe să crească. Cheia se deschide. Când întrerupătorul este deschis, curentul prin șoc și prin sarcină, deși scade, continuă să curgă, deoarece nu poate dispărea instantaneu, doar că acum circuitul este închis nu prin comutator, ci prin dioda care s-a deschis.

Comutatorul se închide din nou.Dacă în timpul în care comutatorul a fost deschis, curentul prin șoc nu a avut timp să scadă la zero, atunci acum crește din nou. Deci, prin șoc și prin sarcină, acționează tot timpul curent pulsatoriu (daca nu exista condensator). Condensatorul netezește ondulațiile astfel încât curentul de sarcină să fie aproape constant.

Tensiunea de ieșire într-un convertor de acest tip este întotdeauna mai mică decât tensiunea de intrare, care aici este practic împărțită între bobine și sarcină. Valoarea sa teoretică (pentru un convertor ideal, fără a ține cont de pierderile între comutatoare și diode) poate fi găsită folosind următoarea formulă:

Convertor boost fără izolație galvanică - convertor boost

Comutatorul T este închis. Când comutatorul este închis, dioda D este închisă, curentul prin inductorul L începe să crească. Cheia se deschide. Curentul continuă să curgă prin inductor, dar acum printr-o diodă deschisă și tensiunea pe inductor este adăugată la tensiunea sursei. Tensiunea constantă pe sarcina R este menținută de condensatorul C.

Comutatorul se închide, curentul de șoc crește din nou. Tensiunea de ieșire a unui convertor de acest tip este întotdeauna mai mare decât tensiunea de intrare, deoarece tensiunea pe inductor este adăugată la tensiunea sursei. Valoarea teoretică a tensiunii de ieșire (pentru un convertor ideal) poate fi găsită folosind formula:

Convertor inversor fără izolație galvanică-buck-boost-converter

Comutatorul T este închis. Choke L stochează energie, dioda D este închisă. Comutatorul este deschis — inductanța activează condensatorul C și sarcina R. Tensiunea de ieșire aici are polaritate negativă.Valoarea acestuia poate fi găsită (pentru cazul ideal) prin formula:

Spre deosebire de stabilizatorii liniari, stabilizatorii de comutare au o eficiență mai mare datorită încălzirii mai puține a elementelor active și, prin urmare, necesită o suprafață mai mică a radiatorului. Dezavantajele tipice ale stabilizatorilor de comutare sunt prezența zgomotului de impuls în circuitele de ieșire și de intrare, precum și tranzitorii mai lungi.