Skiftende spændingsregulatorer

I pulsspændingsregulatorer (konvertere) fungerer det aktive element (normalt en felteffekttransistor) i pulstilstand: Kontrolkontakten åbner og lukker skiftevis og forsyner forsyningsspændingen med impulser til det energiakkumulerende element. Som et resultat føres strømimpulser gennem en drossel (eller gennem en transformer, afhængigt af topologien af ​​en bestemt koblingsregulator), som ofte fungerer som et element, der akkumulerer, konverterer og frigiver energi i belastningskredsløbet.

Pulser har bestemte tidsparametre: de følger med en bestemt frekvens og har en vis varighed. Disse parametre afhænger af størrelsen af ​​den belastning, der i øjeblikket leveres af stabilisatoren, da det er den gennemsnitlige induktorstrøm, der oplader udgangskondensatoren og faktisk driver belastningen forbundet til den.

I strukturen af ​​en pulsstabilisator kan der skelnes mellem tre hovedfunktionsenheder: en switch, en energilagringsenhed og et styrekredsløb.De to første noder danner en effektsektion, som sammen med den tredje danner et komplet spændingskonverteringskredsløb. Nogle gange kan kontakten laves i samme hus som styrekredsløbet.

Så arbejdet med pulsomformeren er udført på grund af lukningen og åbningen elektronisk nøgle… Når kontakten er lukket, kobles energilagerenheden (chokeren) til strømkilden og lagrer energi, og når den er åben, kobles lagerenheden fra kilden og tilsluttes straks til belastningskredsløbet, hvorefter energien overføres til filterkondensatoren og til belastningen.

Som følge heraf virker en vis gennemsnitsværdi af spændingen på belastningen, som afhænger af varigheden og frekvensen af ​​gentagelsen af ​​kontrolimpulserne. Strømmen afhænger af belastningen, hvis værdi ikke må overstige den tilladte grænse for denne omformer.

PWM og PWM

Princippet om stabilisering af pulsomformerens udgangsspænding er baseret på en kontinuerlig sammenligning af udgangsspændingen med referencespændingen, og afhængigt af uoverensstemmelsen mellem disse spændinger genopretter styrekredsløbet automatisk forholdet mellem varigheden af ​​den åbne og lukkede tilstande af kontakten (den ændrer bredden af ​​styreimpulserne med pulsbreddemodulation — PWM) eller ændrer gentagelseshastigheden af ​​disse impulser, ved at holde deres varighed konstant (ved hjælp af impulsfrekvensmodulation — PFM). Udgangsspændingen måles normalt med en resistiv deler.

Antag, at udgangsspændingen under belastning på et tidspunkt falder, bliver mindre end den nominelle.I dette tilfælde vil PWM-controlleren automatisk øge pulsbredden, det vil sige, at energilagringsprocesserne i chokeren bliver længere, og følgelig vil mere energi blive overført til belastningen. Som et resultat vil udgangsspændingen vende tilbage til nominel.

Hvis stabiliseringen fungerer i henhold til princippet om PFM, vil pulsgentagelseshastigheden stige med et fald i udgangsspændingen under belastning. Som et resultat vil flere dele af energien blive overført til belastningen, og spændingen vil være lig med den krævede rating. Her ville det være passende at sige, at forholdet mellem varigheden af ​​omskifterens lukkede tilstand og summen af ​​varigheden af ​​dens lukkede og åbne tilstande er den såkaldte duty cycle DC.

Generelt fås pulsomformere med og uden galvanisk isolering.I denne artikel vil vi se på de grundlæggende kredsløb uden galvanisk isolation: boost, buck og inverterende konvertere. I formlerne er Vin indgangsspændingen, Vout er udgangsspændingen, og DC er driftscyklussen.

Ikke-galvanisk isoleret buck converter-buck konverter eller step-down konverter

Nøgle T lukker. Når kontakten er lukket, er diode D låst, strømmen løber gashåndtag L og på tværs af belastningen begynder R at stige. Nøglen åbnes. Når kontakten åbnes, fortsætter strømmen gennem chokeren og gennem belastningen, selvom den falder, fordi den ikke kan forsvinde øjeblikkeligt, kun nu er kredsløbet ikke lukket gennem kontakten, men gennem dioden, der er åbnet.

Kontakten lukker igen.Hvis strømmen gennem chokeren ikke nåede at falde til nul i den tid, kontakten var åben, så stiger den nu igen. Så gennem chokeren og gennem belastningen virker den hele tiden pulserende strøm (hvis der ikke var nogen kondensator). Kondensatoren udjævner krusningerne, så belastningsstrømmen er næsten konstant.

Udgangsspændingen i en konverter af denne type er altid mindre end indgangsspændingen, som her praktisk talt er delt mellem drossel og belastning. Dens teoretiske værdi (for en ideel konverter – se bort fra switch- og diodetab) kan findes ved hjælp af følgende formel:

Boostkonverter uden galvanisk isolering - boostkonverter

Kontakten T er lukket. Når kontakten er lukket, er dioden D lukket, strømmen gennem induktoren L begynder at stige. Nøglen åbnes. Strøm fortsætter med at strømme gennem induktoren, men nu gennem en åben diode, og spændingen over induktoren lægges til kildespændingen. Den konstante spænding over belastningen R opretholdes af kondensator C.

Kontakten lukker, chokerstrømmen stiger igen. Udgangsspændingen på en konverter af denne type er altid højere end indgangsspændingen, fordi spændingen over induktoren lægges til kildespændingen. Den teoretiske værdi af udgangsspændingen (for en ideel konverter) kan findes ved hjælp af formlen:

Inverterende konverter uden galvanisk isolation-buck-boost-konverter

Kontakten T er lukket. Choker L lagrer energi, diode D er lukket. Kontakten er åben - chokeren aktiverer kondensator C og belastning R. Udgangsspændingen her har negativ polaritet.Dens værdi kan findes (for det ideelle tilfælde) ved formlen:

I modsætning til lineære stabilisatorer har skiftestabilisatorer højere effektivitet på grund af mindre opvarmning af de aktive elementer og kræver derfor et mindre radiatorareal. Typiske ulemper ved koblingsstabilisatorer er tilstedeværelsen af ​​impulsstøj i output- og inputkredsløbene samt længere transienter.