Bytte spenningsregulatorer

I pulsspenningsregulatorer (omformere) fungerer det aktive elementet (vanligvis en felteffekttransistor) i pulsmodus: kontrollbryteren åpnes og lukkes vekselvis, og forsyner forsyningsspenningen med pulser til det energiakkumulerende elementet. Som et resultat blir strømpulser matet gjennom en choke (eller gjennom en transformator, avhengig av topologien til en bestemt bryterregulator), som ofte fungerer som et element som akkumulerer, konverterer og frigjør energi i lastkretsen.

Pulser har visse tidsparametere: de følger med en viss frekvens og har en viss varighet. Disse parameterne avhenger av størrelsen på belastningen som for øyeblikket leveres av stabilisatoren, siden det er den gjennomsnittlige induktorstrømmen som lader utgangskondensatoren og faktisk driver belastningen som er koblet til den.

I strukturen til en pulsstabilisator kan tre hovedfunksjonsenheter skilles: en bryter, en energilagringsenhet og en kontrollkrets.De to første nodene danner en kraftseksjon, som sammen med den tredje danner en komplett spenningskonverteringskrets. Noen ganger kan bryteren gjøres i samme hus som kontrollkretsen.

Så arbeidet til pulsomformeren er gjort på grunn av lukking og åpning elektronisk nøkkel… Når bryteren er lukket, kobles energilagringsenheten (choke) til strømkilden og lagrer energi, og når den er åpen kobles lagringsenheten fra kilden og kobles umiddelbart til lastkretsen, hvoretter energien overføres til filterkondensatoren og til lasten.

Som et resultat virker en viss gjennomsnittsverdi av spenningen på belastningen, som avhenger av varigheten og frekvensen av repetisjon av kontrollpulsene. Strømmen avhenger av belastningen, hvis verdi ikke må overstige den tillatte grensen for denne omformeren.

PWM og PWM

Prinsippet for stabilisering av utgangsspenningen til pulsomformeren er basert på en kontinuerlig sammenligning av utgangsspenningen med referansespenningen, og avhengig av avviket mellom disse spenningene, gjenoppretter kontrollkretsen automatisk forholdet mellom varigheten av den åpne og lukkede tilstander til bryteren (den endrer bredden på kontrollpulsene med pulsbreddemodulasjon — PWM) eller endrer repetisjonshastigheten til disse pulsene, og holder deres varighet konstant (ved hjelp av pulsfrekvensmodulasjon — PFM). Utgangsspenningen måles vanligvis med en resistiv deler.

Anta at utgangsspenningen under belastning på et tidspunkt avtar, blir mindre enn den nominelle.I dette tilfellet vil PWM-kontrolleren automatisk øke pulsbredden, det vil si at energilagringsprosessene i choken blir lengre, og følgelig vil mer energi overføres til lasten. Som et resultat vil utgangsspenningen gå tilbake til nominell.

Hvis stabiliseringen fungerer i henhold til PFM-prinsippet, vil pulsrepetisjonshastigheten øke med en reduksjon i utgangsspenningen under belastning. Som et resultat vil flere deler av energien overføres til lasten og spenningen vil være lik den nødvendige karakteren. Her ville det være hensiktsmessig å si at forholdet mellom varigheten av bryterens lukkede tilstand og summen av varigheten av dens lukkede og åpne tilstander er den såkalte arbeidssyklusen DC.

Generelt er pulsomformere tilgjengelige med og uten galvanisk isolasjon.I denne artikkelen skal vi se på de grunnleggende kretsene uten galvanisk isolasjon: boost, buck og inverterende omformere. I formlene er Vin inngangsspenningen, Vout er utgangsspenningen og DC er driftssyklusen.

Ikke-galvanisk isolert buck converter-buck converter eller step-down converter

Nøkkel T lukkes. Når bryteren er lukket, er diode D låst, strømmen flyter Gasspedal L og på tvers av lasten begynner R å øke. Nøkkelen åpnes. Når bryteren åpnes, fortsetter strømmen gjennom choken og gjennom belastningen, selv om den avtar, å flyte, fordi den ikke kan forsvinne umiddelbart, bare nå er kretsen lukket ikke gjennom bryteren, men gjennom dioden som har åpnet seg.

Bryteren lukkes igjen.Hvis strømmen gjennom choken ikke rakk å falle til null i løpet av tiden bryteren var åpen, så øker den nå igjen. Så gjennom choken og gjennom belastningen virker den hele tiden pulserende strøm (hvis det ikke var noen kondensator). Kondensatoren jevner ut krusningene slik at belastningsstrømmen er nesten konstant.

Utgangsspenningen i en omformer av denne typen er alltid mindre enn inngangsspenningen, som her praktisk talt er delt mellom choken og lasten. Dens teoretiske verdi (for en ideell omformer – se bort fra bryter- og diodetap) kan bli funnet ved å bruke følgende formel:

Boost-omformer uten galvanisk isolasjon - boost-omformer

Bryter T er lukket. Når bryteren er lukket, er dioden D lukket, strømmen gjennom induktoren L begynner å øke. Nøkkelen åpnes. Strøm fortsetter å flyte gjennom induktoren, men nå gjennom en åpen diode og spenningen over induktoren legges til kildespenningen. Den konstante spenningen over lasten R opprettholdes av kondensator C.

Bryteren lukkes, chokestrømmen stiger igjen. Utgangsspenningen til en omformer av denne typen er alltid høyere enn inngangsspenningen fordi spenningen over induktoren legges til kildespenningen. Den teoretiske verdien av utgangsspenningen (for en ideell omformer) kan finnes ved å bruke formelen:

Inverterende omformer uten galvanisk isolasjon-buck-boost-omformer

Bryter T er lukket. Choke L lagrer energi, diode D er lukket. Bryteren er åpen - choken aktiverer kondensator C og last R. Utgangsspenningen her har negativ polaritet.Verdien kan finnes (for det ideelle tilfellet) ved formelen:

I motsetning til lineære stabilisatorer har byttestabilisatorer høyere effektivitet på grunn av mindre oppvarming av de aktive elementene og krever derfor et mindre radiatorareal. Typiske ulemper med byttestabilisatorer er tilstedeværelsen av impulsstøy i utgangs- og inngangskretsene, samt lengre transienter.