Reguladors de voltatge de commutació

En els reguladors de tensió de pols (convertidors), l'element actiu (normalment un transistor d'efecte de camp) funciona en mode d'impuls: l'interruptor de control s'obre i es tanca alternativament, subministrant la tensió d'alimentació amb polsos a l'element acumulador d'energia. Com a resultat, els polsos de corrent s'alimenten a través d'una bobina (o a través d'un transformador, depenent de la topologia d'un regulador de commutació particular), que sovint actua com un element que acumula, converteix i allibera energia al circuit de càrrega.

Els polsos tenen uns paràmetres de temps determinats: segueixen amb una freqüència determinada i tenen una durada determinada. Aquests paràmetres depenen de la mida de la càrrega que subministra actualment l'estabilitzador, ja que és el corrent mitjà de l'inductor el que carrega el condensador de sortida i en realitat alimenta la càrrega connectada a aquest.

En l'estructura d'un estabilitzador de pols, es poden distingir tres unitats funcionals principals: un interruptor, un dispositiu d'emmagatzematge d'energia i un circuit de control.Els dos primers nodes formen una secció de potència que, juntament amb el tercer, forma un circuit complet de conversió de tensió. De vegades, l'interruptor es pot fer a la mateixa carcassa que el circuit de control.

Així doncs, el treball del convertidor de polsos es fa a causa del tancament i obertura clau electrònica... Quan l'interruptor està tancat, el dispositiu d'emmagatzematge d'energia (asfixia) està connectat a la font d'alimentació i emmagatzema energia, i quan està obert, el dispositiu d'emmagatzematge es desconnecta de la font i es connecta immediatament al circuit de càrrega, després de la qual cosa l'energia es transfereix al condensador del filtre i a la càrrega.

Com a resultat, un cert valor mitjà de la tensió actua sobre la càrrega, que depèn de la durada i la freqüència de repetició dels polsos de control. El corrent depèn de la càrrega, el valor de la qual no ha de superar el límit permès per a aquest convertidor.

PWM i PWM

El principi d'estabilització de la tensió de sortida del convertidor d'impulsos es basa en una comparació contínua de la tensió de sortida amb la tensió de referència i, depenent de la discrepància d'aquestes tensions, el circuit de control restaura automàticament la relació entre la durada de l'obertura i la tensió. estats tancats de l'interruptor (canvia l'amplada dels polsos de control amb Modulació d'amplada de pols - PWM) o canvia la freqüència de repetició d'aquests polsos, mantenint la seva durada constant (mitjançant la modulació de freqüència de polsos — PFM). La tensió de sortida es mesura normalment amb un divisor resistiu.

Suposem que la tensió de sortida sota càrrega en algun moment disminueix, esdevé menor que la nominal.En aquest cas, el controlador PWM augmentarà automàticament l'amplada del pols, és a dir, els processos d'emmagatzematge d'energia a l'asfixia s'allargaran i, en conseqüència, es transferirà més energia a la càrrega. Com a resultat, la tensió de sortida tornarà al nominal.

Si l'estabilització funciona segons el principi de PFM, amb una disminució de la tensió de sortida sota càrrega, augmentarà la freqüència de repetició del pols. Com a resultat, es transferiran més parts d'energia a la càrrega i la tensió serà igual a la qualificació requerida. Aquí seria apropiat dir que la relació entre la durada de l'estat tancat de l'interruptor i la suma de la durada dels seus estats tancat i obert és l'anomenat cicle de treball DC.

En general, els convertidors d'impulsos estan disponibles amb i sense aïllament galvànic En aquest article, veurem els circuits bàsics sense aïllament galvànic: convertidors boost, buck i inversor. A les fórmules, Vin és la tensió d'entrada, Vout és la tensió de sortida i DC és el cicle de treball.

Convertidor Buck-Buck no aïllat galvànicament o convertidor reductor

La clau T es tanca. Quan l'interruptor està tancat, el díode D està bloquejat, el corrent flueix accelerador L i a través de la càrrega R comença a augmentar. S'obre la clau. Quan s'obre l'interruptor, el corrent a través de l'obturador i de la càrrega, tot i que disminueix, continua circulant, perquè no pot desaparèixer a l'instant, només que ara el circuit es tanca no a través de l'interruptor, sinó a través del díode que s'ha obert.

L'interruptor es torna a tancar.Si durant el temps que l'interruptor va estar obert, el corrent a través de l'estrangulador no va tenir temps de baixar a zero, ara torna a augmentar, per tant, a través de l'obturador i a través de la càrrega, actua tot el temps. corrent pulsante (si no hi havia condensador). El condensador suavitza les ondulacions de manera que el corrent de càrrega sigui gairebé constant.

La tensió de sortida en un convertidor d'aquest tipus és sempre inferior a la tensió d'entrada, que aquí pràcticament es divideix entre l'obturador i la càrrega. El seu valor teòric (per a un convertidor ideal, sense tenir en compte les pèrdues d'interruptors i díodes) es pot trobar mitjançant la fórmula següent:

Convertidor boost sense aïllament galvànic - convertidor boost

L'interruptor T està tancat. Quan l'interruptor està tancat, el díode D està tancat, el corrent a través de l'inductor L comença a augmentar. S'obre la clau. El corrent continua circulant per l'inductor, però ara a través d'un díode obert i la tensió a través de l'inductor s'afegeix a la tensió de la font. La tensió constant a través de la càrrega R es manté pel condensador C.

L'interruptor es tanca, el corrent d'obtenció augmenta de nou. La tensió de sortida d'un convertidor d'aquest tipus és sempre superior a la tensió d'entrada perquè la tensió a través de l'inductor s'afegeix a la tensió de la font. El valor teòric de la tensió de sortida (per a un convertidor ideal) es pot trobar mitjançant la fórmula:

Convertidor inversor sense aïllament galvànic-buck-boost-converter

L'interruptor T està tancat. El choke L emmagatzema energia, el díode D està tancat. L'interruptor està obert: l'obturador activa el condensador C i la càrrega R. La tensió de sortida aquí té polaritat negativa.El seu valor es pot trobar (per al cas ideal) per la fórmula:

A diferència dels estabilitzadors lineals, els estabilitzadors de commutació tenen una eficiència més alta a causa d'un menor escalfament dels elements actius i, per tant, requereixen una àrea de radiador més petita. Els desavantatges típics dels estabilitzadors de commutació són la presència de soroll d'impuls als circuits de sortida i entrada, així com transitoris més llargs.