Ρυθμιστές τάσης μεταγωγής

Στους ρυθμιστές παλμικής τάσης (μετατροπείς), το ενεργό στοιχείο (συνήθως ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου) λειτουργεί σε λειτουργία παλμού: ο διακόπτης ελέγχου ανοίγει και κλείνει εναλλάξ, τροφοδοτώντας την τάση τροφοδοσίας με παλμούς στο στοιχείο συσσώρευσης ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, οι παλμοί ρεύματος τροφοδοτούνται μέσω ενός τσοκ (ή μέσω ενός μετασχηματιστή, ανάλογα με την τοπολογία ενός συγκεκριμένου ρυθμιστή μεταγωγής), ο οποίος συχνά λειτουργεί ως στοιχείο που συσσωρεύει, μετατρέπει και απελευθερώνει ενέργεια στο κύκλωμα φορτίου.

Οι παλμοί έχουν συγκεκριμένες χρονικές παραμέτρους: ακολουθούν με συγκεκριμένη συχνότητα και έχουν συγκεκριμένη διάρκεια. Αυτές οι παράμετροι εξαρτώνται από το μέγεθος του φορτίου που παρέχεται από τον σταθεροποιητή, καθώς είναι το μέσο ρεύμα του επαγωγέα που φορτίζει τον πυκνωτή εξόδου και στην πραγματικότητα τροφοδοτεί το φορτίο που είναι συνδεδεμένο σε αυτόν.

Στη δομή ενός σταθεροποιητή παλμών, μπορούν να διακριθούν τρεις κύριες λειτουργικές μονάδες: ένας διακόπτης, μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας και ένα κύκλωμα ελέγχου.Οι δύο πρώτοι κόμβοι σχηματίζουν ένα τμήμα ισχύος, το οποίο μαζί με τον τρίτο σχηματίζουν ένα πλήρες κύκλωμα μετατροπής τάσης. Μερικές φορές ο διακόπτης μπορεί να γίνει στο ίδιο περίβλημα με το κύκλωμα ελέγχου.

Άρα η δουλειά του μετατροπέα παλμών γίνεται λόγω του κλεισίματος και του ανοίγματος ηλεκτρονικό κλειδί… Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η συσκευή αποθήκευσης ενέργειας (τσοκ) συνδέεται με την πηγή ισχύος και αποθηκεύει ενέργεια, και όταν είναι ανοιχτή, η συσκευή αποθήκευσης αποσυνδέεται από την πηγή και συνδέεται αμέσως στο κύκλωμα φορτίου, μετά την οποία η ενέργεια μεταφέρεται στον πυκνωτή του φίλτρου και στο φορτίο.

Ως αποτέλεσμα, μια ορισμένη μέση τιμή της τάσης δρα στο φορτίο, η οποία εξαρτάται από τη διάρκεια και τη συχνότητα επανάληψης των παλμών ελέγχου. Το ρεύμα εξαρτάται από το φορτίο, η τιμή του οποίου δεν πρέπει να υπερβαίνει το επιτρεπόμενο όριο για αυτόν τον μετατροπέα.

PWM και PWM

Η αρχή της σταθεροποίησης της τάσης εξόδου του μετατροπέα παλμών βασίζεται σε μια συνεχή σύγκριση της τάσης εξόδου με την τάση αναφοράς και ανάλογα με την απόκλιση αυτών των τάσεων, το κύκλωμα ελέγχου επαναφέρει αυτόματα την αναλογία της διάρκειας του ανοιχτού και κλειστές καταστάσεις του διακόπτη (αλλάζει το πλάτος των παλμών ελέγχου με διαμόρφωση πλάτους παλμού — PWM) ή αλλάζει τον ρυθμό επανάληψης αυτών των παλμών, διατηρώντας τη διάρκειά τους σταθερή (μέσω της διαμόρφωσης συχνότητας παλμών — PFM). Η τάση εξόδου συνήθως μετριέται με ένα διαχωριστικό αντίστασης.

Ας υποθέσουμε ότι η τάση εξόδου υπό φορτίο σε κάποιο σημείο μειώνεται, γίνεται μικρότερη από την ονομαστική.Σε αυτήν την περίπτωση, ο ελεγκτής PWM θα αυξήσει αυτόματα το πλάτος του παλμού, δηλαδή, οι διαδικασίες αποθήκευσης ενέργειας στο τσοκ θα γίνουν μεγαλύτερες και, κατά συνέπεια, περισσότερη ενέργεια θα μεταφερθεί στο φορτίο. Ως αποτέλεσμα, η τάση εξόδου θα επιστρέψει στην ονομαστική.

Εάν η σταθεροποίηση λειτουργεί σύμφωνα με την αρχή του PFM, τότε με μείωση της τάσης εξόδου υπό φορτίο, ο ρυθμός επανάληψης παλμού θα αυξηθεί. Ως αποτέλεσμα, περισσότερα μέρη ενέργειας θα μεταφερθούν στο φορτίο και η τάση θα είναι ίση με την απαιτούμενη ονομαστική τιμή. Εδώ θα ήταν σκόπιμο να πούμε ότι ο λόγος της διάρκειας της κλειστής κατάστασης του διακόπτη προς το άθροισμα της διάρκειας των κλειστών και ανοικτών καταστάσεων του είναι ο λεγόμενος κύκλος λειτουργίας DC.

Σε γενικές γραμμές, οι μετατροπείς παλμών είναι διαθέσιμοι με και χωρίς γαλβανική απομόνωση.Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τα βασικά κυκλώματα χωρίς γαλβανική απομόνωση: μετατροπείς ενίσχυσης, buck και αναστροφής. Στους τύπους, Vin είναι η τάση εισόδου, Vout είναι η τάση εξόδου και DC είναι ο κύκλος λειτουργίας.

Μη γαλβανικά απομονωμένος μετατροπέας buck-μετατροπέας buck ή μετατροπέας βαθμίδας

Το κλειδί Τ κλείνει. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η δίοδος D είναι κλειδωμένη, το ρεύμα ρέει γκάζι L και σε όλο το φορτίο R αρχίζει να αυξάνεται. Το κλειδί ανοίγει. Όταν ανοίγει ο διακόπτης, το ρεύμα μέσω του τσοκ και μέσω του φορτίου, αν και μειώνεται, συνεχίζει να ρέει, γιατί δεν μπορεί να εξαφανιστεί αμέσως, μόνο που τώρα το κύκλωμα κλείνει όχι μέσω του διακόπτη, αλλά μέσω της διόδου που έχει ανοίξει.

Ο διακόπτης κλείνει ξανά.Αν κατά τη διάρκεια που ήταν ανοιχτός ο διακόπτης, το ρεύμα μέσω του τσοκ δεν είχε χρόνο να πέσει στο μηδέν, τώρα αυξάνεται ξανά. Έτσι, μέσω του τσοκ και μέσω του φορτίου, ενεργεί συνεχώς παλλόμενο ρεύμα (αν δεν υπήρχε πυκνωτής). Ο πυκνωτής εξομαλύνει τους κυματισμούς έτσι ώστε το ρεύμα φορτίου να είναι σχεδόν σταθερό.

Η τάση εξόδου σε έναν μετατροπέα αυτού του τύπου είναι πάντα μικρότερη από την τάση εισόδου, η οποία εδώ πρακτικά χωρίζεται μεταξύ του τσοκ και του φορτίου. Η θεωρητική του τιμή (για έναν ιδανικό μετατροπέα—αγνοώντας τις απώλειες διακόπτη και διόδου) μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

Μετατροπέας ενίσχυσης χωρίς γαλβανική απομόνωση - μετατροπέας ενίσχυσης

Ο διακόπτης Τ είναι κλειστός. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η δίοδος D είναι κλειστή, το ρεύμα μέσω του επαγωγέα L αρχίζει να αυξάνεται. Το κλειδί ανοίγει. Το ρεύμα συνεχίζει να ρέει μέσω του επαγωγέα, αλλά τώρα μέσω μιας ανοιχτής διόδου και η τάση κατά μήκος του επαγωγέα προστίθεται στην τάση της πηγής. Η σταθερή τάση στο φορτίο R διατηρείται από τον πυκνωτή C.

Ο διακόπτης κλείνει, το ρεύμα του τσοκ ανεβαίνει ξανά. Η τάση εξόδου ενός μετατροπέα αυτού του τύπου είναι πάντα υψηλότερη από την τάση εισόδου, επειδή η τάση κατά μήκος του επαγωγέα προστίθεται στην τάση της πηγής. Η θεωρητική τιμή της τάσης εξόδου (για έναν ιδανικό μετατροπέα) μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

Μετατροπέας αναστροφής χωρίς γαλβανική απομόνωση-buck-boost-μετατροπέας

Ο διακόπτης Τ είναι κλειστός. Το τσοκ L αποθηκεύει ενέργεια, η δίοδος D είναι κλειστή. Ο διακόπτης είναι ανοιχτός—το τσοκ ενεργοποιεί τον πυκνωτή C και το φορτίο R. Η τάση εξόδου εδώ έχει αρνητική πολικότητα.Η τιμή του μπορεί να βρεθεί (για την ιδανική περίπτωση) από τον τύπο:

Σε αντίθεση με τους γραμμικούς σταθεροποιητές, οι σταθεροποιητές μεταγωγής έχουν υψηλότερη απόδοση λόγω της μικρότερης θέρμανσης των ενεργών στοιχείων και επομένως απαιτούν μικρότερη επιφάνεια ψυγείου. Τυπικά μειονεκτήματα των σταθεροποιητών μεταγωγής είναι η παρουσία παλμικού θορύβου στα κυκλώματα εξόδου και εισόδου, καθώς και μεγαλύτερα μεταβατικά.