Regolatori di tensione a commutazione

Nei regolatori di tensione a impulsi (convertitori), l'elemento attivo (solitamente un transistor ad effetto di campo) funziona in modalità a impulsi: l'interruttore di controllo si apre e si chiude alternativamente, fornendo la tensione di alimentazione con impulsi all'elemento che accumula energia. Di conseguenza, gli impulsi di corrente vengono alimentati attraverso un'induttanza (o attraverso un trasformatore, a seconda della topologia di un particolare regolatore di commutazione), che spesso funge da elemento che accumula, converte e rilascia energia nel circuito di carico.

Gli impulsi hanno determinati parametri temporali: si susseguono con una certa frequenza e hanno una certa durata. Questi parametri dipendono dalle dimensioni del carico attualmente alimentato dallo stabilizzatore, poiché è la corrente media dell'induttore che carica il condensatore di uscita e alimenta effettivamente il carico ad esso collegato.

Nella struttura di uno stabilizzatore di impulsi si possono distinguere tre unità funzionali principali: un interruttore, un dispositivo di accumulo di energia e un circuito di controllo.I primi due nodi formano una sezione di potenza che, insieme al terzo, forma un circuito completo di conversione di tensione. A volte l'interruttore può essere realizzato nello stesso alloggiamento del circuito di controllo.

Quindi il lavoro del convertitore di impulsi viene svolto a causa della chiusura e dell'apertura chiave elettronica… Quando l'interruttore è chiuso, il dispositivo di accumulo dell'energia (choke) è collegato alla fonte di alimentazione e immagazzina energia, e quando è aperto, il dispositivo di accumulo viene scollegato dalla fonte e immediatamente collegato al circuito di carico, dopodiché l'energia viene trasferito al condensatore di filtro e al carico.

Di conseguenza, sul carico agisce un certo valore medio della tensione, che dipende dalla durata e dalla frequenza di ripetizione degli impulsi di controllo. La corrente dipende dal carico, il cui valore non deve superare il limite consentito per questo convertitore.

PWM e PWM

Il principio di stabilizzazione della tensione di uscita del convertitore di impulsi si basa su un confronto continuo della tensione di uscita con la tensione di riferimento e, a seconda della discrepanza di queste tensioni, il circuito di controllo ripristina automaticamente il rapporto tra la durata dell'apertura e stati chiusi dell'interruttore (cambia l'ampiezza degli impulsi di comando con modulazione dell'ampiezza dell'impulso - PWM) o modifica la frequenza di ripetizione di questi impulsi, mantenendo costante la loro durata (mediante modulazione della frequenza degli impulsi - PFM). La tensione di uscita viene solitamente misurata con un partitore resistivo.

Supponiamo che la tensione di uscita sotto carico ad un certo punto diminuisca, diventi inferiore al valore nominale.In questo caso, il controller PWM aumenterà automaticamente l'ampiezza dell'impulso, ovvero i processi di accumulo di energia nella bobina si allungheranno e, di conseguenza, verrà trasferita più energia al carico. Di conseguenza, la tensione di uscita tornerà al valore nominale.

Se la stabilizzazione funziona secondo il principio PFM, quindi con una diminuzione della tensione di uscita sotto carico, la frequenza di ripetizione dell'impulso aumenterà. Di conseguenza, più parti di energia verranno trasferite al carico e la tensione sarà pari al valore nominale richiesto. Qui sarebbe opportuno dire che il rapporto tra la durata dello stato chiuso dell'interruttore e la somma della durata dei suoi stati chiuso e aperto è il cosiddetto duty cycle DC.

In generale, i convertitori di impulsi sono disponibili con e senza isolamento galvanico In questo articolo esamineremo i circuiti di base senza isolamento galvanico: convertitori boost, buck e invertenti. Nelle formule, Vin è la tensione di ingresso, Vout è la tensione di uscita e DC è il ciclo di lavoro.

Convertitore buck-convertitore buck non isolato galvanicamente o convertitore step-down

La chiave T si chiude. Quando l'interruttore è chiuso, il diodo D è bloccato, la corrente scorre acceleratore L e attraverso il carico R inizia ad aumentare. La chiave si apre. Quando l'interruttore viene aperto, la corrente attraverso l'induttanza e attraverso il carico, sebbene diminuisca, continua a fluire, perché non può scomparire all'istante, solo ora il circuito è chiuso non attraverso l'interruttore, ma attraverso il diodo che si è aperto.

L'interruttore si richiude.Se durante il tempo in cui l'interruttore era aperto, la corrente attraverso l'induttanza non ha avuto il tempo di scendere a zero, ora aumenta di nuovo, quindi, attraverso l'induttanza e attraverso il carico, agisce sempre corrente pulsante (se non c'era il condensatore). Il condensatore attenua le ondulazioni in modo che la corrente di carico sia quasi costante.

La tensione di uscita in un convertitore di questo tipo è sempre inferiore alla tensione di ingresso, che qui è praticamente suddivisa tra induttanza e carico. Il suo valore teorico (per un convertitore ideale, ignorando le perdite di interruttori e diodi) può essere trovato utilizzando la seguente formula:

Convertitore boost senza isolamento galvanico - convertitore boost

L'interruttore T è chiuso. Quando l'interruttore è chiuso, il diodo D è chiuso, la corrente attraverso l'induttore L inizia ad aumentare. La chiave si apre. La corrente continua a fluire attraverso l'induttore, ma ora attraverso un diodo aperto e la tensione attraverso l'induttore viene aggiunta alla tensione della sorgente. La tensione costante attraverso il carico R è mantenuta dal condensatore C.

L'interruttore si chiude, la corrente di induttanza sale di nuovo. La tensione di uscita di un convertitore di questo tipo è sempre superiore alla tensione di ingresso perché la tensione ai capi dell'induttore viene sommata alla tensione della sorgente. Il valore teorico della tensione di uscita (per un convertitore ideale) può essere trovato utilizzando la formula:

Convertitore invertente senza convertitore buck-boost di isolamento galvanico

L'interruttore T è chiuso. Choke L immagazzina energia, il diodo D è chiuso. L'interruttore è aperto: lo starter eccita il condensatore C e carica R. La tensione di uscita qui ha polarità negativa.Il suo valore può essere trovato (per il caso ideale) dalla formula:

A differenza degli stabilizzatori lineari, gli stabilizzatori switching hanno un'efficienza maggiore a causa del minor riscaldamento degli elementi attivi e richiedono quindi un'area del radiatore più piccola. Gli svantaggi tipici degli stabilizzatori di commutazione sono la presenza di rumore impulsivo nei circuiti di uscita e di ingresso, nonché transitori più lunghi.