Regulátory spínacího napětí

V pulzních regulátorech napětí (převodnících) pracuje aktivní prvek (obvykle tranzistor s efektem pole) v pulzním režimu: ovládací spínač střídavě otevírá a zavírá a dodává napájecí napětí pulzy do prvku akumulujícího energii. V důsledku toho jsou proudové impulsy přiváděny přes tlumivku (nebo přes transformátor, v závislosti na topologii konkrétního spínacího regulátoru), která často funguje jako prvek, který akumuluje, přeměňuje a uvolňuje energii v zátěžovém obvodu.

Impulzy mají určité časové parametry: následují s určitou frekvencí a mají určitou dobu trvání. Tyto parametry závisí na velikosti zátěže, která je aktuálně napájena stabilizátorem, protože je to průměrný proud induktoru, který nabíjí výstupní kondenzátor a skutečně napájí zátěž k němu připojenou.

Ve struktuře pulzního stabilizátoru lze rozlišit tři hlavní funkční jednotky: spínač, zásobník energie a řídicí obvod.První dva uzly tvoří výkonovou část, která spolu s třetím tvoří kompletní obvod převodu napětí. Někdy může být spínač vyroben ve stejném krytu jako řídicí obvod.

Takže práce pulzního měniče je provedena kvůli zavírání a otevírání elektronický klíč… Při sepnutí spínače je zásobník energie (tlumivka) připojen ke zdroji energie a ukládá energii, a když je otevřen, je zásobník odpojen od zdroje a okamžitě připojen k obvodu zátěže, načež se energie se přenáší na filtrační kondenzátor a do zátěže.

V důsledku toho na zátěž působí určitá průměrná hodnota napětí, která závisí na době trvání a četnosti opakování řídicích impulsů. Proud závisí na zátěži, jejíž hodnota nesmí překročit povolenou mez pro tento měnič.

PWM a PWM

Princip stabilizace výstupního napětí pulsního měniče je založen na průběžném porovnávání výstupního napětí s referenčním napětím a v závislosti na nesouladu těchto napětí řídicí obvod automaticky obnoví poměr doby trvání rozepření a sepnuté stavy spínače (mění šířku řídicích impulsů pomocí pulzně šířková modulace — PWM) nebo mění frekvenci opakování těchto pulsů a udržuje jejich trvání konstantní (pomocí pulzní frekvenční modulace — PFM). Výstupní napětí se obvykle měří odporovým děličem.

Předpokládejme, že výstupní napětí pod zatížením v určitém bodě klesá, je nižší než jmenovité.V tomto případě PWM regulátor automaticky zvýší šířku impulsu, to znamená, že procesy akumulace energie v tlumivce se prodlouží, a proto se do zátěže přenese více energie. V důsledku toho se výstupní napětí vrátí na nominální hodnotu.

Pokud stabilizace pracuje na principu PFM, pak s poklesem výstupního napětí při zátěži se zvýší frekvence opakování pulsů. V důsledku toho se do zátěže přenese více částí energie a napětí se bude rovnat požadované hodnotě. Zde by bylo vhodné říci, že poměr doby trvání sepnutého stavu spínače k ​​součtu trvání jeho sepnutých a rozepnutých stavů je tzv. pracovní cyklus DC.

Obecně platí, že pulsní měniče jsou dostupné s galvanickým oddělením i bez něj.V tomto článku se podíváme na základní obvody bez galvanického oddělení: boost, buck a invertující měniče. Ve vzorcích je Vin vstupní napětí, Vout je výstupní napětí a DC je pracovní cyklus.

Negalvanicky oddělený konvertor buck-buck konvertor nebo step-down konvertor

Klávesa T se zavře. Při sepnutém spínači je dioda D zablokována, protéká proud plynu L a napříč zatížením R se začne zvyšovat. Klíč se otevře. Když je spínač otevřen, proud přes tlumivku a přes zátěž, i když se snižuje, pokračuje v toku, protože nemůže okamžitě zmizet, pouze nyní je obvod uzavřen ne přes spínač, ale přes diodu, která se otevřela.

Spínač se opět uzavře.Pokud během doby, kdy byl spínač rozpojený, nestihl proud přes tlumivku klesnout na nulu, tak nyní opět vzroste.Takže přes tlumivku a přes zátěž působí neustále pulzující proud (pokud tam nebyl kondenzátor). Kondenzátor vyhlazuje vlnění, takže zatěžovací proud je téměř konstantní.

Výstupní napětí v měniči tohoto typu je vždy menší než vstupní napětí, které je zde prakticky rozděleno mezi tlumivku a zátěž. Jeho teoretickou hodnotu (pro ideální převodník – bez ohledu na ztráty spínačů a diod) lze zjistit pomocí následujícího vzorce:

Boost měnič bez galvanického oddělení - boost měnič

Spínač T je sepnutý. Při sepnutí spínače je dioda D sepnutá, proud induktorem L začne narůstat. Klíč se otevře. Proud dále protéká induktorem, ale nyní přes otevřenou diodu a napětí na induktoru se přičítá ke zdrojovému napětí. Konstantní napětí na zátěži R je udržováno kondenzátorem C.

Spínač se sepne, proud tlumivky opět stoupá. Výstupní napětí měniče tohoto typu je vždy vyšší než vstupní napětí, protože napětí na induktoru se přičítá k napětí zdroje. Teoretickou hodnotu výstupního napětí (pro ideální převodník) lze zjistit pomocí vzorce:

Invertní měnič bez galvanického oddělení-buck-boost-converter

Spínač T je sepnutý. Tlumivka L uchovává energii, dioda D je uzavřena. Spínač je otevřený – tlumivka nabudí kondenzátor C a zátěž R. Výstupní napětí zde má zápornou polaritu.Jeho hodnotu lze zjistit (pro ideální případ) vzorcem:

Na rozdíl od lineárních stabilizátorů mají spínací stabilizátory vyšší účinnost díky menšímu zahřívání aktivních prvků a vyžadují tedy menší plochu radiátoru. Typickými nevýhodami spínacích stabilizátorů je přítomnost impulsního šumu ve výstupních a vstupních obvodech a také delší přechodové jevy.