Preklopni regulatori napona

U pulsnim regulatorima napona (pretvarači), aktivni element (obično tranzistor s efektom polja) radi u pulsnom načinu rada: upravljačka sklopka naizmjenično se otvara i zatvara, opskrbljujući napon napajanja s impulsima elementu za akumulaciju energije. Kao rezultat toga, strujni impulsi se dovode kroz prigušnicu (ili kroz transformator, ovisno o topologiji određenog sklopnog regulatora), koji često djeluje kao element koji akumulira, pretvara i oslobađa energiju u krugu opterećenja.

Impulsi imaju određene vremenske parametre: slijede s određenom frekvencijom i imaju određeno trajanje. Ovi parametri ovise o veličini opterećenja koje trenutno napaja stabilizator, budući da je prosječna struja induktora ta koja puni izlazni kondenzator i zapravo napaja opterećenje spojeno na njega.

U strukturi pulsnog stabilizatora mogu se razlikovati tri glavne funkcionalne jedinice: sklopka, uređaj za pohranu energije i upravljački krug.Prva dva čvora čine energetski dio, koji zajedno s trećim čini kompletan krug pretvorbe napona. Ponekad se prekidač može napraviti u istom kućištu kao i upravljački krug.

Dakle, rad pretvarača impulsa obavlja se zbog zatvaranja i otvaranja elektronički ključ… Kada je prekidač zatvoren, uređaj za pohranjivanje energije (prigušnica) je spojen na izvor napajanja i pohranjuje energiju, a kada je otvoren, uređaj za pohranjivanje se odvaja od izvora i odmah spaja na strujni krug opterećenja, nakon čega energija prenosi se na filterski kondenzator i na opterećenje.

Zbog toga na opterećenje djeluje određena prosječna vrijednost napona koja ovisi o trajanju i učestalosti ponavljanja upravljačkih impulsa. Struja ovisi o opterećenju, čija vrijednost ne smije prijeći dopuštenu granicu za ovaj pretvarač.

PWM i PWM

Načelo stabilizacije izlaznog napona impulsnog pretvarača temelji se na kontinuiranoj usporedbi izlaznog napona s referentnim naponom, a ovisno o odstupanju tih napona, upravljački krug automatski vraća omjer trajanja otvorenog i zatvorena stanja sklopke (mijenja širinu upravljačkih impulsa s modulacija širine impulsa — PWM) ili mijenja brzinu ponavljanja tih impulsa, održavajući njihovo trajanje konstantnim (pomoću pulsne frekvencijske modulacije — PFM). Izlazni napon obično se mjeri otpornim djeliteljem.

Pretpostavimo da se izlazni napon pod opterećenjem u nekom trenutku smanjuje, postaje manji od nominalnog.U tom će slučaju PWM regulator automatski povećati širinu impulsa, odnosno procesi skladištenja energije u prigušnici postat će dulji i, sukladno tome, više energije će se prenijeti na opterećenje. Kao rezultat toga, izlazni napon će se vratiti na nominalni.

Ako stabilizacija radi prema principu PFM, tada će se s smanjenjem izlaznog napona pod opterećenjem povećati brzina ponavljanja impulsa. Kao rezultat toga, više dijelova energije će se prenijeti na opterećenje i napon će biti jednak potrebnoj nazivnoj vrijednosti. Ovdje bi bilo prikladno reći da je omjer trajanja zatvorenog stanja prekidača i zbroja trajanja njegovih zatvorenih i otvorenih stanja takozvani radni ciklus DC.

Općenito, pulsni pretvarači dostupni su sa i bez galvanske izolacije. U ovom ćemo članku pogledati osnovne strujne krugove bez galvanske izolacije: pojačalni, povratni i invertirajući pretvarači. U formulama, Vin je ulazni napon, Vout je izlazni napon, a DC je radni ciklus.

Negalvanski izolirani buck pretvarač-buck pretvarač ili step-down pretvarač

Tipka T se zatvara. Kada je sklopka zatvorena, dioda D je zaključana, struja teče prigušnica L i preko opterećenja R počinje rasti. Ključ se otvara. Kada se sklopka otvori, struja kroz prigušnicu i kroz opterećenje, iako se smanjuje, nastavlja teći, jer ne može odmah nestati, samo sada je krug zatvoren ne kroz sklopku, već kroz diodu koja se otvorila.

Prekidač se ponovno zatvara.Ako za vrijeme dok je sklopka bila otvorena, struja kroz prigušnicu nije stigla pasti na nulu, onda se sada opet povećava. Dakle, kroz prigušnicu i kroz opterećenje, djeluje cijelo vrijeme pulsirajuća struja (ako nije bilo kondenzatora). Kondenzator izglađuje valovitost tako da je struja opterećenja gotovo konstantna.

Izlazni napon u pretvaraču ove vrste je uvijek manji od ulaznog napona, koji je ovdje praktički podijeljen između prigušnice i opterećenja. Njegova teorijska vrijednost (za idealni pretvarač—ne uzimajući u obzir gubitke sklopke i diode) može se pronaći pomoću sljedeće formule:

Boost pretvarač bez galvanske izolacije - boost converter

Prekidač T je zatvoren. Kada je sklopka zatvorena, dioda D je zatvorena, struja kroz induktor L počinje rasti. Ključ se otvara. Struja nastavlja teći kroz induktor, ali sada kroz otvorenu diodu i napon preko induktora se dodaje naponu izvora. Konstantni napon preko opterećenja R održava kondenzator C.

Prekidač se zatvara, struja prigušnice ponovno raste. Izlazni napon pretvarača ovog tipa uvijek je veći od ulaznog napona jer se napon na induktoru dodaje naponu izvora. Teorijska vrijednost izlaznog napona (za idealan pretvarač) može se pronaći pomoću formule:

Invertirajući pretvarač bez galvanske izolacije-buck-boost-pretvarač

Prekidač T je zatvoren. Prigušnica L skladišti energiju, dioda D je zatvorena. Prekidač je otvoren—prigušnica napaja kondenzator C i opterećenje R. Izlazni napon ovdje ima negativan polaritet.Njegova se vrijednost može pronaći (za idealan slučaj) pomoću formule:

Za razliku od linearnih stabilizatora, sklopni stabilizatori imaju veću učinkovitost zbog manjeg zagrijavanja aktivnih elemenata i stoga zahtijevaju manju površinu radijatora. Tipični nedostaci sklopnih stabilizatora su prisutnost impulsnog šuma u izlaznim i ulaznim krugovima, kao i dulje prijelazne pojave.