Przełączanie regulatorów napięcia
W impulsowych regulatorach napięcia (przetwornicach) element aktywny (zwykle tranzystor polowy) pracuje w trybie impulsowym: łącznik sterujący naprzemiennie otwiera się i zamyka, dostarczając napięcie zasilania impulsami do elementu gromadzącego energię. W efekcie impulsy prądowe podawane są przez dławik (lub przez transformator, w zależności od topologii danego regulatora przełączającego), który często pełni rolę elementu gromadzącego, przetwarzającego i uwalniającego energię w obwodzie obciążenia.
Impulsy mają określone parametry czasowe: następują z określoną częstotliwością i mają określony czas trwania. Parametry te zależą od wielkości obciążenia, które jest aktualnie dostarczane przez stabilizator, ponieważ to średni prąd cewki indukcyjnej ładuje kondensator wyjściowy i faktycznie zasila podłączone do niego obciążenie.
W strukturze stabilizatora impulsów można wyróżnić trzy główne jednostki funkcjonalne: przełącznik, zasobnik energii i obwód sterujący.Pierwsze dwa węzły tworzą sekcję mocy, która wraz z trzecim tworzy kompletny obwód konwersji napięcia. Czasami przełącznik można wykonać w tej samej obudowie co obwód sterujący.
Tak więc praca konwertera impulsów jest wykonywana z powodu zamykania i otwierania klucz elektroniczny… Gdy przełącznik jest zamknięty, zasobnik energii (dławik) jest podłączony do źródła zasilania i magazynuje energię, a gdy jest otwarty, zasobnik jest odłączany od źródła i natychmiast włączany do obwodu obciążenia, po czym energia jest przekazywany do kondensatora filtra i do obciążenia.
W rezultacie na obciążenie działa pewna średnia wartość napięcia, która zależy od czasu trwania i częstotliwości powtarzania impulsów sterujących. Prąd zależy od obciążenia, którego wartość nie może przekraczać dopuszczalnego limitu dla tego przetwornika.
PWM i PWM
Zasada stabilizacji napięcia wyjściowego przetwornicy impulsowej polega na ciągłym porównywaniu napięcia wyjściowego z napięciem odniesienia i w zależności od rozbieżności tych napięć obwód sterujący automatycznie przywraca stosunek czasu trwania przerwy otwartej i zamknięte stany przełącznika (zmienia szerokość impulsów sterujących z modulacja szerokości impulsu — PWM) lub zmienia częstotliwość powtarzania tych impulsów, utrzymując stały czas ich trwania (za pomocą modulacji częstotliwości impulsów — PFM). Napięcie wyjściowe jest zwykle mierzone za pomocą dzielnika rezystancyjnego.
Załóżmy, że napięcie wyjściowe pod obciążeniem w pewnym momencie spada, staje się mniejsze niż nominalne.W takim przypadku kontroler PWM automatycznie zwiększy szerokość impulsu, to znaczy procesy magazynowania energii w dławiku staną się dłuższe, a zatem więcej energii zostanie przekazane do obciążenia. W rezultacie napięcie wyjściowe powróci do wartości nominalnej.
Jeśli stabilizacja działa zgodnie z zasadą PFM, to wraz ze spadkiem napięcia wyjściowego pod obciążeniem częstotliwość powtarzania impulsów wzrośnie. W rezultacie więcej części energii zostanie przekazanych do obciążenia, a napięcie będzie równe wymaganej wartości znamionowej. Tutaj należałoby powiedzieć, że stosunek czasu trwania stanu zamkniętego przełącznika do sumy czasu trwania jego stanów zamkniętych i otwartych to tak zwany współczynnik wypełnienia DC.
Ogólnie rzecz biorąc, przetwornice impulsowe są dostępne z izolacją galwaniczną i bez.W tym artykule przyjrzymy się podstawowym obwodom bez izolacji galwanicznej: przetwornice typu boost, buck i odwracające. We wzorach Vin to napięcie wejściowe, Vout to napięcie wyjściowe, a DC to cykl pracy.
Nieizolowana galwanicznie przetwornica buck-przetwornica buck lub przetwornica obniżająca napięcie
Klawisz T zamyka się. Gdy przełącznik jest zamknięty, dioda D jest zablokowana, płynie prąd przepustnica L i w poprzek obciążenia R zaczyna rosnąć. Klucz się otworzy. Gdy przełącznik jest otwarty, prąd przez dławik i przez obciążenie, chociaż maleje, nadal płynie, ponieważ nie może natychmiast zniknąć, tylko teraz obwód jest zamknięty nie przez przełącznik, ale przez diodę, która się otworzyła.
Przełącznik ponownie się zamyka.Jeśli w czasie, gdy przełącznik był otwarty, prąd płynący przez dławik nie miał czasu spaść do zera, to teraz ponownie wzrasta, więc przez dławik i przez obciążenie działa cały czas pulsujący prąd (jeśli nie było kondensatora). Kondensator wygładza tętnienia, dzięki czemu prąd obciążenia jest prawie stały.
Napięcie wyjściowe w przetwornicy tego typu jest zawsze mniejsze niż napięcie wejściowe, które tutaj jest praktycznie dzielone między dławik i obciążenie. Jego wartość teoretyczną (dla idealnej przetwornicy – pomijając straty na przełączniku i diodzie) można znaleźć za pomocą następującego wzoru:
Przetwornica boost bez izolacji galwanicznej - przetwornica boost
Przełącznik T jest zamknięty. Kiedy przełącznik jest zamknięty, dioda D jest zamknięta, prąd płynący przez cewkę indukcyjną L zaczyna rosnąć. Klucz się otworzy. Prąd nadal płynie przez cewkę indukcyjną, ale teraz przez otwartą diodę, a napięcie na cewce indukcyjnej jest dodawane do napięcia źródła. Stałe napięcie na obciążeniu R jest utrzymywane przez kondensator C.
Przełącznik zamyka się, prąd dławika ponownie wzrasta. Napięcie wyjściowe przetwornicy tego typu jest zawsze wyższe niż napięcie wejściowe, ponieważ napięcie na cewce indukcyjnej jest dodawane do napięcia źródła. Teoretyczną wartość napięcia wyjściowego (dla idealnej przetwornicy) można znaleźć ze wzoru:
Przetwornica odwracająca bez izolacji galwanicznej przetwornica buck-boost
Przełącznik T jest zamknięty. Dławik L magazynuje energię, dioda D jest zwarta. Przełącznik jest otwarty — dławik zasila kondensator C i obciążenie R. Napięcie wyjściowe ma tutaj biegunowość ujemną.Jego wartość można znaleźć (dla idealnego przypadku) według wzoru:
W przeciwieństwie do stabilizatorów liniowych, stabilizatory przełączające mają wyższą wydajność dzięki mniejszemu nagrzewaniu elementów aktywnych i dlatego wymagają mniejszej powierzchni radiatora. Typowymi wadami stabilizatorów przełączających są obecność szumu impulsowego w obwodach wyjściowym i wejściowym, a także dłuższe stany przejściowe.