Stabilizator de tensiune de comutare ( stabilizator de tensiune cheie , numele sunt utilizate și convertor de impulsuri , sursă de alimentare cu comutație ) - stabilizator de tensiune , în care elementul de reglare ( cheie ) funcționează în modul pulsat [1] , adică elementul de reglare se deschide periodic și se inchide.
Energia sursei primare de energie este transmisă prin elementul de reglare în anumite porțiuni, dată de bucla de control astfel încât valoarea medie a tensiunii de ieșire să fie stabilă. Netezirea ondulațiilor tensiunii de ieșire are loc datorită prezenței unui element (sau a unei combinații de elemente) capabil să acumuleze energie electrică și să o livreze la sarcină.
Stabilizatorul de tensiune de comutare comparativ cu un stabilizator liniar are pierderi mai mici de energie pentru încălzirea elementului de reglare, ceea ce mărește eficiența stabilizatorului și permite utilizarea unui element de reglare a puterii mai mici și a unui radiator de dimensiuni și greutate mai mici.
Avantaje:
Defecte:
Stabilizatorul de tensiune de comutare este un sistem de control automat . Parametrul de setare pentru bucla de control este tensiunea de referință , care este comparată cu tensiunea de ieșire a stabilizatorului. În funcție de semnalul de eroare, dispozitivul de control modifică raportul dintre duratele stărilor deschis și închis ale cheii.
În schemele bloc prezentate mai jos se pot distinge trei unități funcționale: o cheie (1), un dispozitiv de stocare a energiei (2) (numit uneori filtru [7] ) și un circuit de control. În acest caz, întrerupătorul (1) și dispozitivul de stocare a energiei (2) formează împreună secțiunea de putere [8] a stabilizatorului de tensiune , care împreună cu circuitul de comandă formează o buclă de control. Există trei scheme în funcție de tipul de circuit de control.
Un stabilizator de tensiune cu un declanșator Schmitt este, de asemenea, numit releu sau regulator pornit-oprit [9] . În ea, tensiunea de ieșire este comparată cu pragurile de declanșare Schmitt inferioare și superioare (4 și 3) prin intermediul unui comparator (4), care este de obicei partea de intrare a declanșatorului Schmitt. Când cheia (1) este închisă, tensiunea de intrare este furnizată dispozitivului de stocare a energiei (2), tensiunea de ieșire crește, iar după atingerea pragului superior U max , declanșatorul Schmitt trece în starea care deschide cheia (1). ). Energia acumulată este consumată în sarcină, în timp ce tensiunea la ieșirea stabilizatorului scade, iar după atingerea pragului inferior U min , declanșatorul Schmitt trece în starea care închide comutatorul. În plus, procesul descris este repetat periodic. Ca urmare, la ieșire se formează o tensiune pulsatorie , a cărei amplitudine a ondulației depinde de diferența dintre pragurile declanșatorului Schmitt.
Un astfel de stabilizator se caracterizează printr-o ondulație de tensiune relativ mare, fundamental neamovibilă la sarcină și o frecvență de conversie variabilă, în funcție atât de tensiunea de intrare, cât și de curentul de sarcină [10] .
Ca și în diagrama anterioară, în timpul funcționării, dispozitivul de stocare a energiei (2) fie este conectat la tensiunea de intrare, fie transferă energia acumulată la sarcină. Ca urmare, ieșirea are o anumită valoare medie a tensiunii, care depinde de tensiunea de intrare și de ciclul de lucru [11] al impulsurilor de control al tastei (1). Scădetorul-amplificator de pe amplificatorul operațional (4) compară tensiunea de ieșire cu tensiunea de referință (6) și amplifică diferența care este alimentată la modulatorul (3). Dacă tensiunea de ieșire este mai mică decât referința, atunci modulatorul crește raportul dintre timpul stării deschise a cheii și perioada generatorului de ceas (5). Când tensiunea de intrare sau curentul de sarcină se modifică, ciclul de funcționare al impulsurilor de control al tastei se modifică astfel încât să asigure diferența minimă între tensiunea de ieșire și cea de referință.
Într-un astfel de stabilizator, frecvența de conversie nu depinde de tensiunea de intrare și curentul de sarcină și este determinată de frecvența generatorului de ceas [10] .
Cu această metodă de control, impulsul care deschide cheia are o durată constantă, iar rata de repetare a impulsului depinde de semnalul de nepotrivire dintre tensiunile de referință și de ieșire. Când curentul de sarcină crește sau tensiunea de intrare scade, frecvența crește. Cheia poate fi controlată, de exemplu, folosind un multivibrator monostabil (vibrator unic) cu o frecvență de declanșare controlată.
Conform schemei circuitului de putere, stabilizatoarele de comutare sunt de obicei împărțite în trei tipuri principale: step-down, step-up și inversare [8] . O astfel de diviziune s-a dezvoltat, în special, în literatura tehnică internă [12] .
Unii autori, luând în considerare circuitele convertoarelor de tensiune DC în impulsuri în toată diversitatea lor, arată că numărul de circuite elementare de bază ale convertorului poate fi redus la două [13] - de tip step-down și de tip step-up. De asemenea, se remarcă faptul că alte circuite ale unui convertor de tensiune în impulsuri (inclusiv un convertor inversor [14] ) pot fi obținute prin punerea în cascadă a acestor două circuite de bază [15][16] .
În circuitele de mai jos , un tranzistor cu efect de câmp , un tranzistor bipolar sau un tiristor poate fi folosit ca o cheie S , circuitul de control al cheii nu este prezentat pentru simplitate. Raportul dintre timpul stării închise a cheii și suma duratelor stărilor închis și deschis se numește duty cycle (sau duty cycle ) [2] .
Nume în literatura engleză - buck converter (step-down converter) . Dacă comutatorul S este închis, atunci dioda D este închisă și un curent crescând trece prin inductorul L de la sursă . Când întrerupătorul se deschide, curentul inductor, care nu se poate schimba instantaneu, începe să curgă prin dioda D , în timp ce curentul scade. Cu o inductanță suficientă, curentul inductor nu are timp să scadă la zero până la începutul următorului ciclu (mod curent continuu) și are un caracter pulsatoriu . Prin urmare, chiar și în absența unui condensator C , tensiunea pe sarcina R va avea același caracter cu ondulații, a căror amplitudine este cu atât mai mică, cu atât inductanța inductorului este mai mare. Cu toate acestea, în practică, o creștere a inductanței este asociată cu o creștere a dimensiunii, greutății și costului inductorului și cu pierderile de putere din acesta, astfel încât utilizarea unui condensator pentru a reduce ondulația este mai eficientă. Combinația elementelor L și C din acest circuit este adesea numită filtru [10] [17] .
Nume în literatura engleză - boost converter (step-up converter) . Dacă comutatorul S este închis, atunci dioda D este închisă și un curent în creștere liniar curge de la sursă prin inductorul L. Când întrerupătorul se deschide, curentul inductorului, care nu se poate schimba instantaneu, începe să circule prin dioda D și condensatorul C (încărcându-l). Până la începutul următorului ciclu, curentul aproape liniar în scădere prin condensator poate scădea la zero, cu toate acestea, tensiunea condensatorului aplicată sarcinii R este aproape constantă - amplitudinea ondulației este cu atât mai mică, cu atât capacitatea condensatorului este mai mare. Spre deosebire de circuitul anterior, aici inductorul nu este un element de filtru. Tensiunea de sarcină este întotdeauna mai mare decât tensiunea sursei [10] [18] .
Numele în literatura engleză este buck-boost converter (adică „buck-boost converter”). Principala diferență față de circuitul anterior este că circuitul D , R , C este conectat în paralel cu șocul și nu în paralel cu comutatorul. Principiul de funcționare al circuitului este similar. Dacă comutatorul S este închis, atunci dioda D este închisă și un curent în creștere liniar curge de la sursă prin inductorul L. Când întrerupătorul se deschide, curentul inductorului, care nu se poate schimba instantaneu, începe să circule prin condensatorul C (încărcându-l) și dioda D. Până la începutul următorului ciclu, curentul aproape liniar în scădere prin condensator poate scădea la zero, cu toate acestea, tensiunea condensatorului aplicată sarcinii R este aproape constantă - amplitudinea ondulației este cu atât mai mică, cu atât capacitatea condensatorului este mai mare ( inductorul nu este un element de filtru). Tensiunea de sarcină poate fi mai mare sau mai mică decât tensiunea sursei [10] [19] .
Căderea de tensiune directă pentru diodele de siliciu obișnuite este de aproximativ 0,7 V, pentru diodele Schottky este de aproximativ 0,4 V. Puterea disipată în diodă la curenți mari reduce semnificativ eficiența, în special la regulatoarele cu tensiune de ieșire scăzută. Prin urmare, în astfel de regulatoare, dioda este adesea înlocuită cu un comutator semiconductor suplimentar cu o cădere scăzută de tensiune în starea de pornire, cum ar fi un FET de putere .
În toate cele trei scheme descrise, dioda D poate fi înlocuită cu un întrerupător suplimentar [20] care poate fi închis și deschis în antifază față de întrerupătorul principal.
Dacă este necesară izolarea galvanică a circuitelor de intrare și ieșire ale unui stabilizator de comutare - de exemplu, conform cerințelor de siguranță electrică atunci când se utilizează o rețea industrială de curent alternativ ca sursă de alimentare primară - un transformator de izolare poate fi utilizat în circuitele principale discutate mai sus. Utilizarea unui transformator de înaltă frecvență într-un circuit convertor cu tensiune scăzută duce la un circuit convertor cu un singur capăt sau push - pull înainte . Înlocuirea șocului în circuitul convertizorului inversor cu un șoc cu două sau mai multe înfășurări conduce [21] la un circuit convertizor flyback .
Câteva caracteristici ale convertoarelor de impulsuri cu izolație galvanică a intrării de la ieșire:
Regulatorul de tensiune de comutare este o sursă de interferențe de înaltă frecvență datorită faptului că conține întrerupătoare care comută curentul [22] . Prin urmare, în momentele comutării, apar creșteri destul de semnificative de tensiune și curent, generând interferențe atât la intrarea, cât și la ieșirea stabilizatorului, iar interferența este atât antifază, cât și în mod comun [3] . Filtrele de suprimare a zgomotului sunt instalate atât la intrare, cât și la ieșire ale stabilizatorului.
Pentru a reduce interferența, este posibil să comutați cheia în momentele în care nu trece curent prin cheie când este deschisă sau există tensiune zero pe cheie când este închisă. Această tehnică este utilizată în așa-numitele convertoare rezonante, care au și dezavantajele lor [23] [24] .
Regulatorul de tensiune de comutare sub sarcină are o rezistență diferențială negativă de intrare - atunci când tensiunea de intrare crește, curentul de intrare scade și invers. Acest lucru trebuie luat în considerare pentru a menține stabilitatea regulatorului de tensiune de comutare de la o sursă cu rezistență internă crescută [4] [6] .
Regulatoarele de tensiune de comutare (convertoare) discutate mai sus transformă curentul continuu la intrare într-un curent continuu la ieșire. Pentru a alimenta dispozitivele de la rețeaua de curent alternativ, la intrare sunt instalate un redresor și un filtru de netezire .
Aceasta implică prezența unui anumit număr de elemente instalate înaintea transformatorului de izolare și, prin urmare, conectate galvanic la circuitele de intrare. Astfel de elemente se disting de obicei pe plăci fie prin hașurare, fie printr-o linie pe stratul de marcare reticular, fie chiar printr-o colorare specială care avertizează o persoană despre pericolul potențial de a le atinge. Sursele de alimentare comutate ca parte a altor dispozitive (televizoare, computere) sunt închise cu capace de protecție prevăzute cu etichete de avertizare. Dacă, la repararea unei surse de alimentare comutatoare, este necesară pornirea acesteia cu capacul scos, se recomandă să o porniți printr-un transformator de izolare sau RCD .
Adesea, filtrele de suprimare a zgomotului de la intrarea surselor de alimentare comutatoare sunt conectate la carcasa dispozitivului. Acest lucru se face dacă este destinat să conecteze împământarea de protecție a șasiului. Dacă împământarea de protecție este neglijată, atunci pe carcasa instrumentului se formează un potențial față de împământare, egal cu jumătate din tensiunea rețelei. Condensatoarele de filtru, de regulă, au o capacitate mică, așa că atingerea carcasei unui astfel de dispozitiv nu este periculoasă pentru oameni, dar atingerea simultană a părților sensibile ale corpului cu dispozitive împământate și o carcasă neîmpământată este vizibilă (se spune că dispozitivul „mușcături”). În plus, potențialul de pe carcasă poate fi periculos pentru dispozitivul în sine.