Reguladores de voltaje de conmutación

En los reguladores de voltaje de pulso (convertidores), el elemento activo (generalmente un transistor de efecto de campo) funciona en modo de pulso: el interruptor de control se abre y se cierra alternativamente, suministrando pulsos de voltaje de suministro al elemento acumulador de energía. Como resultado, los pulsos de corriente se alimentan a través de un estrangulador (oa través de un transformador, según la topología de un regulador de conmutación en particular), que a menudo actúa como un elemento que acumula, convierte y libera energía en el circuito de carga.

Los pulsos tienen ciertos parámetros de tiempo: siguen con cierta frecuencia y tienen cierta duración. Estos parámetros dependen del tamaño de la carga que actualmente suministra el estabilizador, ya que es la corriente promedio del inductor la que carga el capacitor de salida y realmente alimenta la carga conectada a él.

En la estructura de un estabilizador de pulsos, se pueden distinguir tres unidades funcionales principales: un interruptor, un dispositivo de almacenamiento de energía y un circuito de control.Los dos primeros nodos forman una sección de potencia que, junto con el tercero, forma un circuito completo de conversión de voltaje. A veces, el interruptor se puede hacer en la misma carcasa que el circuito de control.

Entonces, el trabajo del convertidor de pulso se realiza debido al cierre y la apertura. llave electronica… Cuando el interruptor está cerrado, el dispositivo de almacenamiento de energía (estrangulador) se conecta a la fuente de alimentación y almacena energía, y cuando está abierto, el dispositivo de almacenamiento se desconecta de la fuente e inmediatamente se conecta al circuito de carga, después de lo cual la energía se transfiere al condensador del filtro y a la carga.

Como resultado, un cierto valor promedio de voltaje actúa sobre la carga, que depende de la duración y frecuencia de repetición de los pulsos de control. La corriente depende de la carga, cuyo valor no debe exceder el límite permisible para este convertidor.

PWM y PWM

El principio de estabilización del voltaje de salida del convertidor de pulso se basa en una comparación continua del voltaje de salida con el voltaje de referencia y, dependiendo de la discrepancia de estos voltajes, el circuito de control restablece automáticamente la relación de la duración de la apertura y estados cerrados del interruptor (cambia el ancho de los pulsos de control con modulación de ancho de pulso - PWM) o cambia la tasa de repetición de estos pulsos, manteniendo constante su duración (mediante modulación de frecuencia de pulso — PFM). El voltaje de salida generalmente se mide con un divisor resistivo.

Suponga que el voltaje de salida bajo carga en algún punto disminuye, se vuelve menor que el nominal.En este caso, el controlador PWM aumentará automáticamente el ancho de pulso, es decir, los procesos de almacenamiento de energía en el estrangulador serán más largos y, en consecuencia, se transferirá más energía a la carga. Como resultado, el voltaje de salida volverá a ser nominal.

Si la estabilización funciona de acuerdo con el principio de PFM, entonces, con una disminución en el voltaje de salida bajo carga, la frecuencia de repetición del pulso aumentará. Como resultado, se transferirán más partes de energía a la carga y el voltaje será igual a la clasificación requerida. Aquí sería apropiado decir que la relación entre la duración del estado cerrado del interruptor y la suma de la duración de sus estados cerrado y abierto es el llamado ciclo de trabajo DC.

En general, los convertidores de pulso están disponibles con y sin aislamiento galvánico.En este artículo, veremos los circuitos básicos sin aislamiento galvánico: convertidores elevadores, reductores e inversores. En las fórmulas, Vin es el voltaje de entrada, Vout es el voltaje de salida y DC es el ciclo de trabajo.

Convertidor reductor-convertidor reductor no aislado galvánicamente o convertidor reductor

La tecla T se cierra. Cuando el interruptor está cerrado, el diodo D está bloqueado, la corriente fluye acelerador L y a través de la carga R comienza a aumentar. La llave se abre. Cuando se abre el interruptor, la corriente a través del estrangulador ya través de la carga, aunque disminuye, continúa fluyendo, porque no puede desaparecer instantáneamente, solo que ahora el circuito se cierra no a través del interruptor, sino a través del diodo que se ha abierto.

El interruptor se cierra de nuevo.Si durante el tiempo que el interruptor estuvo abierto, la corriente a través del estrangulador no tuvo tiempo de caer a cero, entonces ahora vuelve a aumentar Entonces, a través del estrangulador y a través de la carga, actúa todo el tiempo. corriente pulsante (si no hubiera condensador). El condensador suaviza las ondas para que la corriente de carga sea casi constante.

La tensión de salida en un convertidor de este tipo es siempre menor que la tensión de entrada, que aquí se reparte prácticamente entre el estrangulador y la carga. Su valor teórico (para un convertidor ideal, sin tener en cuenta las pérdidas del interruptor y del diodo) se puede encontrar utilizando la siguiente fórmula:

Convertidor elevador sin aislamiento galvánico - convertidor elevador

El interruptor T está cerrado. Cuando el interruptor está cerrado, el diodo D está cerrado, la corriente a través del inductor L comienza a aumentar. La llave se abre. La corriente continúa fluyendo a través del inductor, pero ahora a través de un diodo abierto y el voltaje a través del inductor se suma al voltaje de la fuente. El capacitor C mantiene el voltaje constante a través de la carga R.

El interruptor se cierra, la corriente del estrangulador vuelve a subir. El voltaje de salida de un convertidor de este tipo siempre es más alto que el voltaje de entrada porque el voltaje a través del inductor se suma al voltaje de la fuente. El valor teórico del voltaje de salida (para un convertidor ideal) se puede encontrar usando la fórmula:

Convertidor inversor sin aislamiento galvánico-convertidor-reductor-elevador

El interruptor T está cerrado. El estrangulador L almacena energía, el diodo D está cerrado. El interruptor está abierto: el estrangulador energiza el capacitor C y la carga R. El voltaje de salida aquí tiene polaridad negativa.Su valor se puede encontrar (para el caso ideal) mediante la fórmula:

A diferencia de los estabilizadores lineales, los estabilizadores de conmutación tienen una mayor eficiencia debido al menor calentamiento de los elementos activos y, por lo tanto, requieren un área de radiador más pequeña. Las desventajas típicas de los estabilizadores de conmutación son la presencia de ruido de impulso en los circuitos de salida y entrada, así como transitorios más prolongados.