Anahtarlama Voltaj Regülatörleri

Darbe voltaj regülatörlerinde (dönüştürücüler), aktif eleman (genellikle bir alan etkili transistör) darbe modunda çalışır: kontrol anahtarı, enerji biriktirme elemanına darbelerle besleme gerilimi sağlayarak dönüşümlü olarak açılır ve kapanır. Sonuç olarak, akım darbeleri, genellikle yük devresinde enerjiyi toplayan, dönüştüren ve serbest bırakan bir eleman olarak hareket eden bir bobin aracılığıyla (veya belirli bir anahtarlama regülatörünün topolojisine bağlı olarak bir transformatör aracılığıyla) beslenir.

Darbelerin belirli zaman parametreleri vardır: Belirli bir sıklıkta takip ederler ve belirli bir süreleri vardır. Bu parametreler, çıkış kondansatörünü şarj eden ve aslında ona bağlı yüke güç sağlayan ortalama indüktör akımı olduğundan, dengeleyici tarafından o anda sağlanan yükün boyutuna bağlıdır.

Bir darbe dengeleyicinin yapısında üç ana işlevsel birim ayırt edilebilir: bir anahtar, bir enerji depolama cihazı ve bir kontrol devresi.İlk iki düğüm, üçüncüsü ile birlikte tam bir voltaj dönüştürme devresi oluşturan bir güç bölümü oluşturur. Bazen anahtar, kontrol devresi ile aynı mahfaza içinde yapılabilir.

Böylece darbe dönüştürücünün işi, kapanma ve açılma nedeniyle yapılır. elektronik anahtar… Anahtar kapatıldığında, enerji depolama cihazı (şok) güç kaynağına bağlanır ve enerji depolar ve açıkken, depolama cihazı kaynaktan ayrılarak hemen yük devresine bağlanır ve ardından enerji filtre kondansatörüne ve yüke aktarılır.

Sonuç olarak, kontrol darbelerinin tekrarlanma süresine ve sıklığına bağlı olarak, yükün belirli bir ortalama değeri yüke etki eder. Akım, değeri bu dönüştürücü için izin verilen sınırı aşmaması gereken yüke bağlıdır.

PWM ve PWM

Darbe dönüştürücünün çıkış voltajının stabilizasyonu ilkesi, çıkış voltajının referans voltajı ile sürekli olarak karşılaştırılmasına dayanır ve bu voltajların farklılığına bağlı olarak, kontrol devresi otomatik olarak açık kalma süresinin oranını geri yükler ve anahtarın kapalı durumları (kontrol darbelerinin genişliğini darbe genişliği modülasyonu - PWM) veya sürelerini sabit tutarak (darbe frekans modülasyonu — PFM aracılığıyla) bu darbelerin tekrar oranını değiştirir. Çıkış voltajı genellikle dirençli bir bölücü ile ölçülür.

Yük altındaki çıkış voltajının bir noktada düştüğünü, nominalden daha az olduğunu varsayalım.Bu durumda PWM kontrolörü darbe genişliğini otomatik olarak artıracaktır yani jiklede enerji depolama süreçleri uzayacak ve buna bağlı olarak yüke daha fazla enerji aktarılacaktır. Sonuç olarak, çıkış voltajı nominale dönecektir.

Stabilizasyon PFM prensibine göre çalışıyorsa, yük altında çıkış voltajının azalmasıyla darbe tekrarlama hızı artacaktır. Sonuç olarak, yüke daha fazla enerji aktarılacak ve voltaj gerekli değere eşit olacaktır. Burada, anahtarın kapalı durum süresinin, kapalı ve açık durum sürelerinin toplamına oranının görev döngüsü DC olduğunu söylemek uygun olacaktır.

Genel olarak, darbeli dönüştürücüler galvanik izolasyonlu ve izolasyonsuz olarak mevcuttur.Bu yazıda, galvanik izolasyonsuz temel devrelere bakacağız: boost, buck ve ters çeviren dönüştürücüler. Formüllerde Vin giriş voltajı, Vout çıkış voltajı ve DC görev döngüsüdür.

Galvanik olarak izole edilmemiş buck dönüştürücü-buck dönüştürücü veya düşürücü dönüştürücü

T tuşu kapanır. Anahtar kapatıldığında, diyot D kilitlenir, akım akar kısmak L ve yük boyunca R artmaya başlar. Anahtar açılır. Anahtar açıldığında, jikleden ve yükten geçen akım azalmasına rağmen akmaya devam eder, çünkü anında kaybolamaz, ancak şimdi devre anahtar üzerinden değil, açılan diyot üzerinden kapatılır.

Anahtar tekrar kapanır.Anahtarın açık olduğu süre boyunca, jikleden geçen akımın sıfıra düşme zamanı yoksa, şimdi tekrar artar, böylece jikle ve yük boyunca her zaman hareket eder. titreşimli akım (kondansatör yoksa). Kondansatör, yük akımının neredeyse sabit olması için dalgalanmaları yumuşatır.

Bu tür bir dönüştürücüdeki çıkış gerilimi, burada pratik olarak jikle ve yük arasında bölünmüş olan giriş geriliminden her zaman daha düşüktür. Teorik değeri (ideal bir dönüştürücü için - anahtar ve diyot kayıplarını dikkate almadan) aşağıdaki formül kullanılarak bulunabilir:

Galvanik izolasyon olmadan yükseltici dönüştürücü - yükseltici dönüştürücü

Anahtar T kapalı. Anahtar kapatıldığında, diyot D kapanır, L indüktöründen geçen akım artmaya başlar. Anahtar açılır. Akım indüktörden akmaya devam eder, ancak şimdi açık bir diyottan geçer ve indüktör üzerindeki voltaj kaynak voltajına eklenir. R yükü üzerindeki sabit voltaj, kapasitör C tarafından korunur.

Anahtar kapanır, jikle akımı tekrar yükselir. Bu tür bir dönüştürücünün çıkış gerilimi her zaman giriş geriliminden daha yüksektir çünkü indüktör üzerindeki gerilim kaynak gerilimine eklenir. Çıkış voltajının teorik değeri (ideal bir dönüştürücü için) aşağıdaki formül kullanılarak bulunabilir:

Galvanik izolasyon-buck-boost-dönüştürücü olmadan ters çevirici dönüştürücü

Anahtar T kapalı. Jikle L enerji depolar, diyot D kapalıdır. Anahtar açıktır; jikle, kondansatör C'ye ve R yüküne enerji verir. Buradaki çıkış voltajı negatif polariteye sahiptir.Değeri (ideal durum için) aşağıdaki formülle bulunabilir:

Lineer stabilizatörlerin aksine, anahtarlama stabilizatörleri, aktif elemanların daha az ısınması nedeniyle daha yüksek verimliliğe sahiptir ve bu nedenle daha küçük bir radyatör alanı gerektirir. Anahtarlama stabilizatörlerinin tipik dezavantajları, çıkış ve giriş devrelerinde darbe gürültüsünün yanı sıra daha uzun geçici geçişlerin varlığıdır.