Preklopni napetostni regulatorji

V impulznih napetostnih regulatorjih (pretvornikih) aktivni element (običajno poljski tranzistor) deluje v impulznem načinu: krmilno stikalo se izmenično odpre in zapre, pri čemer napajalno napetost z impulzi dovaja elementu za zbiranje energije. Posledično se tokovni impulzi dovajajo skozi dušilko (ali skozi transformator, odvisno od topologije določenega stikalnega regulatorja), ki pogosto deluje kot element, ki kopiči, pretvarja in sprošča energijo v tokokrogu bremena.

Impulzi imajo določene časovne parametre: sledijo si z določeno frekvenco in imajo določeno trajanje. Ti parametri so odvisni od velikosti obremenitve, ki jo trenutno dobavlja stabilizator, saj je povprečni induktorski tok tisti, ki polni izhodni kondenzator in dejansko napaja obremenitev, ki je nanj povezana.

V strukturi impulznega stabilizatorja lahko ločimo tri glavne funkcionalne enote: stikalo, napravo za shranjevanje energije in krmilno vezje.Prvi dve vozlišči tvorita močnostni odsek, ki skupaj s tretjim tvori popolno vezje za pretvorbo napetosti. Včasih se lahko stikalo izvede v istem ohišju kot krmilno vezje.

Torej se delo impulznega pretvornika opravi zaradi zapiranja in odpiranja elektronski ključ… Ko je stikalo zaprto, je hranilnik energije (dušilka) priključen na vir napajanja in shranjuje energijo, ko je stikalo odprto, se hranilnik odklopi od vira in takoj priključi na tokokrog bremena, nato pa energija se prenese na filtrski kondenzator in na obremenitev.

Posledično na obremenitev deluje določena povprečna vrednost napetosti, ki je odvisna od trajanja in frekvence ponavljanja krmilnih impulzov. Tok je odvisen od obremenitve, katere vrednost ne sme presegati dovoljene meje za ta pretvornik.

PWM in PWM

Načelo stabilizacije izhodne napetosti impulznega pretvornika temelji na stalni primerjavi izhodne napetosti z referenčno napetostjo in glede na neskladje teh napetosti krmilno vezje samodejno obnovi razmerje med trajanjem odprtega in zaprta stanja stikala (spreminja širino krmilnih impulzov z impulzna širinska modulacija - PWM) ali spremeni hitrost ponavljanja teh impulzov, pri čemer ohranja njihovo trajanje konstantno (s pomočjo impulzne frekvenčne modulacije - PFM). Izhodna napetost se običajno meri z uporovnim delilnikom.

Recimo, da se izhodna napetost pod obremenitvijo na neki točki zmanjša, postane manjša od nominalne.V tem primeru bo krmilnik PWM samodejno povečal širino impulza, to pomeni, da se bodo procesi shranjevanja energije v dušilki podaljšali in s tem bo več energije preneseno na obremenitev. Posledično se bo izhodna napetost vrnila na nominalno.

Če stabilizacija deluje po principu PFM, se bo z zmanjšanjem izhodne napetosti pod obremenitvijo povečala hitrost ponovitve impulza. Posledično bo več delov energije prenesenih na obremenitev in napetost bo enaka zahtevani nazivni vrednosti. Tukaj bi bilo primerno reči, da je razmerje med trajanjem zaprtega stanja stikala in vsoto trajanja njegovih zaprtih in odprtih stanj tako imenovani delovni cikel DC.

Na splošno so impulzni pretvorniki na voljo z in brez galvanske izolacije. V tem članku si bomo ogledali osnovna vezja brez galvanske izolacije: ojačevalni, zniževalni in invertni pretvorniki. V formulah je Vin vhodna napetost, Vout izhodna napetost in DC delovni cikel.

Negalvansko ločeni pretvornik za znižanje vrednosti - pretvornik za znižanje vrednosti ali stopenjski pretvornik

Tipka T se zapre. Ko je stikalo zaprto, je dioda D zaklenjena, tok teče plin L in čez obremenitev R začne naraščati. Ključ se odpre. Ko je stikalo odprto, tok skozi dušilko in skozi obremenitev, čeprav se zmanjša, še naprej teče, ker ne more takoj izginiti, šele zdaj je tokokrog zaprt ne skozi stikalo, ampak skozi diodo, ki se je odprla.

Stikalo se ponovno zapre.Če v času, ko je bilo stikalo odprto, tok skozi dušilko ni imel časa, da bi padel na nič, potem se zdaj spet poveča. Torej skozi dušilko in skozi obremenitev deluje ves čas pulzirajoči tok (če ni bilo kondenzatorja). Kondenzator zgladi valovanje, tako da je obremenitveni tok skoraj konstanten.

Izhodna napetost v pretvorniku te vrste je vedno manjša od vhodne napetosti, ki je tukaj praktično razdeljena med dušilko in obremenitvijo. Njegovo teoretično vrednost (za idealen pretvornik – brez upoštevanja izgub stikala in diod) je mogoče najti z naslednjo formulo:

Boost pretvornik brez galvanske izolacije - boost converter

Stikalo T je zaprto. Ko je stikalo zaprto, je dioda D zaprta, tok skozi induktor L začne naraščati. Ključ se odpre. Tok še naprej teče skozi induktor, vendar zdaj skozi odprto diodo in napetost na induktorju se doda napetosti vira. Konstantno napetost na bremenu R vzdržuje kondenzator C.

Stikalo se zapre, dušilni tok ponovno naraste. Izhodna napetost pretvornika te vrste je vedno višja od vhodne napetosti, ker se napetost na induktorju doda napetosti vira. Teoretično vrednost izhodne napetosti (za idealen pretvornik) lahko najdete po formuli:

Invertni pretvornik brez galvanske izolacije-buck-boost-pretvornik

Stikalo T je zaprto. Dušilka L hrani energijo, dioda D je zaprta. Stikalo je odprto - dušilka napaja kondenzator C in obremenitev R. Izhodna napetost ima negativno polarnost.Njegovo vrednost je mogoče najti (v idealnem primeru) po formuli:

Za razliko od linearnih stabilizatorjev imajo stikalni stabilizatorji večji izkoristek zaradi manjšega segrevanja aktivnih elementov in zato zahtevajo manjšo površino radiatorja. Tipične slabosti preklopnih stabilizatorjev so prisotnost impulznega šuma v izhodnih in vhodnih tokokrogih ter daljši prehodni pojavi.