Įtampos reguliatorių perjungimas

Impulsiniuose įtampos reguliatoriuose (keitikliuose) aktyvusis elementas (dažniausiai lauko tranzistorius) veikia impulsiniu režimu: valdymo jungiklis pakaitomis atsidaro ir užsidaro, tiekdamas maitinimo įtampą impulsais į energiją akumuliuojantį elementą. Dėl to srovės impulsai tiekiami per droselį (arba per transformatorių, priklausomai nuo konkretaus perjungimo reguliatoriaus topologijos), kuris dažnai veikia kaip elementas, kuris kaupia, konvertuoja ir išskiria energiją apkrovos grandinėje.

Impulsai turi tam tikrus laiko parametrus: jie seka tam tikru dažniu ir turi tam tikrą trukmę. Šie parametrai priklauso nuo apkrovos, kurią šiuo metu tiekia stabilizatorius, dydžio, nes tai yra vidutinė induktoriaus srovė, kuri įkrauna išėjimo kondensatorių ir iš tikrųjų maitina prie jo prijungtą apkrovą.

Impulsinio stabilizatoriaus struktūroje galima išskirti tris pagrindinius funkcinius mazgus: jungiklį, energijos kaupimo įrenginį ir valdymo grandinę.Pirmieji du mazgai sudaro galios sekciją, kuri kartu su trečiuoju sudaro pilną įtampos konvertavimo grandinę. Kartais jungiklis gali būti pagamintas tame pačiame korpuse kaip ir valdymo grandinė.

Taigi impulsų keitiklio darbas atliekamas dėl uždarymo ir atidarymo elektroninis raktas… Kai jungiklis uždarytas, energijos kaupiklis (droselis) yra prijungtas prie maitinimo šaltinio ir kaupia energiją, o kai jis yra atidarytas, kaupiklis atjungiamas nuo šaltinio ir nedelsiant prijungiamas prie apkrovos grandinės, po kurios energija perkeliamas į filtro kondensatorių ir į apkrovą.

Dėl to apkrovą veikia tam tikra vidutinė įtampos vertė, kuri priklauso nuo valdymo impulsų pasikartojimo trukmės ir dažnio. Srovė priklauso nuo apkrovos, kurios vertė neturi viršyti šiam keitikliui leistinos ribos.

PWM ir PWM

Impulsinio keitiklio išėjimo įtampos stabilizavimo principas pagrįstas nuolatiniu išėjimo įtampos palyginimu su etalonine įtampa ir, priklausomai nuo šių įtampų neatitikimo, valdymo grandinė automatiškai atkuria atviros ir uždarytos jungiklio būsenos (pakeičia valdymo impulsų plotį su impulsų pločio moduliacija – PWM) arba keičia šių impulsų pasikartojimo dažnį, išlaikant pastovią jų trukmę (impulsų dažnio moduliavimo būdu – PFM). Išėjimo įtampa paprastai matuojama varžiniu dalikliu.

Tarkime, kad išėjimo įtampa esant apkrovai tam tikru momentu sumažėja, tampa mažesnė už vardinę.Tokiu atveju PWM valdiklis automatiškai padidins impulso plotį, tai yra, energijos kaupimo procesai droselyje pailgės ir atitinkamai daugiau energijos bus perduota apkrovai. Dėl to išėjimo įtampa grįš į vardinę.

Jei stabilizavimas veikia pagal PFM principą, tada, sumažėjus išėjimo įtampai esant apkrovai, impulsų pasikartojimo dažnis padidės. Dėl to į apkrovą bus perduota daugiau energijos dalių, o įtampa bus lygi reikiamai vardinei vertei. Čia derėtų sakyti, kad jungiklio uždaros būsenos trukmės ir jo uždaros ir atviros būsenų trukmės sumos santykis yra vadinamasis nuolatinės srovės darbo ciklas.

Apskritai, impulsiniai keitikliai yra su galvanine izoliacija ir be jos.Šiame straipsnyje apžvelgsime pagrindines grandines be galvaninės izoliacijos: boost, buck ir invertuojančius keitiklius. Formulėse Vin yra įėjimo įtampa, Vout yra išėjimo įtampa, o DC yra darbo ciklas.

Negalvaniškai izoliuotas buck konverteris-buck keitiklis arba žeminamasis keitiklis

Klavišas T užsidaro. Kai jungiklis uždarytas, diodas D užsiblokuoja, teka srovė droselis L ir skersai apkrovos R pradeda didėti. Atsidaro raktas. Atidarius jungiklį srovė per droselį ir per apkrovą nors ir mažėja, bet teka toliau, nes negali akimirksniu išnykti, tik dabar grandinė užsidaro ne per jungiklį, o per atsivėrusį diodą.

Jungiklis vėl užsidaro.Jei per tą laiką, kol buvo atidarytas jungiklis, srovė per droselį nespėjo nukristi iki nulio, tai dabar ji vėl didėja.Taigi per droselį ir per apkrovą ji veikia visą laiką pulsuojanti srovė (jei nebuvo kondensatoriaus). Kondensatorius išlygina bangavimą taip, kad apkrovos srovė būtų beveik pastovi.

Šio tipo keitiklio išėjimo įtampa visada yra mažesnė už įėjimo įtampą, kuri čia praktiškai padalyta tarp droselio ir apkrovos. Jo teorinę vertę (idealaus keitiklio atveju, neatsižvelgiant į jungiklio ir diodo nuostolius) galima rasti naudojant šią formulę:

Stiprinimo keitiklis be galvaninės izoliacijos – padidinimo keitiklis

Jungiklis T uždarytas. Kai jungiklis uždarytas, diodas D užsidaro, srovė per induktorių L pradeda didėti. Atsidaro raktas. Srovė ir toliau teka per induktorių, bet dabar per atvirą diodą, o induktoriaus įtampa pridedama prie šaltinio įtampos. Pastovią įtampą visoje apkrovoje R palaiko kondensatorius C.

Jungiklis užsidaro, droselio srovė vėl pakyla. Šio tipo keitiklio išėjimo įtampa visada yra didesnė už įėjimo įtampą, nes induktoriaus įtampa pridedama prie šaltinio įtampos. Teorinę išėjimo įtampos vertę (idealiam keitikliui) galima rasti naudojant formulę:

Invertuojantis keitiklis be galvaninės izoliacijos-buck-boost-keitiklio

Jungiklis T uždarytas. Droselis L kaupia energiją, diodas D yra uždarytas. Jungiklis atidarytas – droselis įjungia kondensatorių C ir apkrauna R. Išėjimo įtampa čia turi neigiamą poliškumą.Jo vertę (idealiu atveju) galima rasti pagal formulę:

Skirtingai nuo linijinių stabilizatorių, perjungimo stabilizatoriai turi didesnį efektyvumą dėl mažesnio aktyviųjų elementų kaitinimo, todėl jiems reikia mažesnio radiatoriaus ploto. Tipiški perjungimo stabilizatorių trūkumai yra impulsinis triukšmas išėjimo ir įvesties grandinėse, taip pat ilgesni pereinamieji procesai.