Spanningsregelaars schakelen

Bij pulsspanningsregelaars (converters) werkt het actieve element (meestal een veldeffecttransistor) in de pulsmodus: de regelschakelaar opent en sluit afwisselend en levert de voedingsspanning met pulsen aan het energieaccumulerende element. Dientengevolge worden stroompulsen door een smoorspoel gevoerd (of door een transformator, afhankelijk van de topologie van een bepaalde schakelende regelaar), die vaak fungeert als een element dat energie verzamelt, omzet en afgeeft in het belastingscircuit.

Pulsen hebben bepaalde tijdsparameters: ze volgen met een bepaalde frequentie en hebben een bepaalde duur. Deze parameters zijn afhankelijk van de grootte van de belasting die momenteel wordt geleverd door de stabilisator, aangezien het de gemiddelde inductorstroom is die de uitgangscondensator oplaadt en daadwerkelijk de aangesloten belasting voedt.

In de structuur van een pulsstabilisator kunnen drie functionele hoofdeenheden worden onderscheiden: een schakelaar, een energieopslagapparaat en een regelcircuit.De eerste twee knooppunten vormen een vermogensdeel, dat samen met het derde een compleet spanningsomzettingscircuit vormt. Soms kan de schakelaar in dezelfde behuizing worden gemaakt als het stuurcircuit.

Het werk van de pulsomvormer wordt dus gedaan door het sluiten en openen elektronische sleutel… Als de schakelaar gesloten is, wordt het energieopslagapparaat (choke) aangesloten op de stroombron en slaat het energie op, en als het open is, wordt het opslagapparaat losgekoppeld van de bron en direct aangesloten op het belastingcircuit, waarna de energie wordt overgebracht naar de filtercondensator en naar de belasting.

Als gevolg hiervan werkt een bepaalde gemiddelde waarde van de spanning op de belasting, die afhangt van de duur en frequentie van herhaling van de stuurpulsen. De stroom is afhankelijk van de belasting, waarvan de waarde de toegestane limiet voor deze omvormer niet mag overschrijden.

PWM en PWM

Het principe van stabilisatie van de uitgangsspanning van de pulsomvormer is gebaseerd op een continue vergelijking van de uitgangsspanning met de referentiespanning, en afhankelijk van de discrepantie van deze spanningen herstelt het regelcircuit automatisch de verhouding van de duur van de open en gesloten toestanden van de schakelaar (het verandert de breedte van de stuurpulsen met pulsbreedtemodulatie - PWM) of verandert de herhalingsfrequentie van deze pulsen, waarbij hun duur constant blijft (door middel van pulsfrequentiemodulatie - PFM). De uitgangsspanning wordt meestal gemeten met een weerstandsdeler.

Stel dat de uitgangsspanning onder belasting op een gegeven moment afneemt, minder wordt dan de nominale waarde.In dit geval zal de PWM-controller automatisch de pulsbreedte vergroten, dat wil zeggen dat de energieopslagprocessen in de choke langer worden en dienovereenkomstig zal er meer energie worden overgedragen aan de belasting. Als gevolg hiervan zal de uitgangsspanning terugkeren naar nominaal.

Als de stabilisatie werkt volgens het principe van PFM, dan zal bij een afname van de uitgangsspanning onder belasting de pulsherhalingsfrequentie toenemen. Als gevolg hiervan zullen meer delen van energie worden overgedragen aan de belasting en zal de spanning gelijk zijn aan de vereiste nominale waarde. Hier zou het gepast zijn om te zeggen dat de verhouding van de duur van de gesloten toestand van de schakelaar tot de som van de duur van zijn gesloten en open toestanden de zogenaamde duty cycle DC is.

Over het algemeen zijn pulsomvormers verkrijgbaar met en zonder galvanische scheiding.In dit artikel gaan we in op de basisschakelingen zonder galvanische scheiding: boost-, buck- en inverterende omvormers. In de formules is Vin de ingangsspanning, Vout is de uitgangsspanning en DC is de duty cycle.

Niet-galvanisch gescheiden buck-converter-buck-converter of step-down-converter

Sleutel T sluit. Wanneer de schakelaar gesloten is, is diode D vergrendeld, stroom vloeit gas geven L en over de last begint R toe te nemen. De sleutel gaat open. Wanneer de schakelaar wordt geopend, blijft de stroom door de choke en door de belasting stromen, hoewel deze afneemt, omdat deze niet onmiddellijk kan verdwijnen, alleen wordt het circuit nu gesloten, niet door de schakelaar, maar door de diode die is geopend.

De schakelaar gaat weer dicht.Als gedurende de tijd dat de schakelaar open was, de stroom door de choke geen tijd had om tot nul te dalen, dan neemt deze nu weer toe. Dus, door de choke en door de belasting, werkt hij de hele tijd pulserende stroom (als er geen condensator was). De condensator strijkt de rimpelingen glad zodat de belastingsstroom bijna constant is.

De uitgangsspanning in een omvormer van dit type is altijd lager dan de ingangsspanning, die hier praktisch wordt verdeeld tussen de smoorspoel en de belasting. De theoretische waarde (voor een ideale omzetter - afgezien van schakelaar- en diodeverliezen) kan worden gevonden met behulp van de volgende formule:

Boost-converter zonder galvanische scheiding - boost-converter

Schakelaar T is gesloten. Wanneer de schakelaar gesloten is, is de diode D gesloten, de stroom door de inductor L begint toe te nemen. De sleutel gaat open. De stroom blijft door de inductor stromen, maar nu door een open diode en de spanning over de inductor wordt opgeteld bij de bronspanning. De constante spanning over de belasting R wordt in stand gehouden door condensator C.

De schakelaar sluit, de smoorstroom stijgt weer. De uitgangsspanning van een dergelijke omvormer is altijd hoger dan de ingangsspanning omdat de spanning over de inductor wordt opgeteld bij de bronspanning. De theoretische waarde van de uitgangsspanning (voor een ideale omvormer) kan worden gevonden met behulp van de formule:

Omvormer zonder galvanische scheiding-buck-boost-converter

Schakelaar T is gesloten. Choke L slaat energie op, diode D is gesloten. De schakelaar is open - de smoorspoel bekrachtigt condensator C en belasting R. De uitgangsspanning heeft hier een negatieve polariteit.De waarde kan worden gevonden (voor het ideale geval) met de formule:

In tegenstelling tot lineaire stabilisatoren hebben schakelende stabilisatoren een hoger rendement door minder opwarming van de actieve elementen en hebben daarom een ​​kleiner radiatoroppervlak nodig. Typische nadelen van schakelende stabilisatoren zijn de aanwezigheid van impulsruis in de uitgangs- en ingangscircuits, evenals langere transiënten.