Bộ điều chỉnh điện áp chuyển mạch

Trong bộ điều chỉnh điện áp xung (bộ chuyển đổi), phần tử tích cực (thường là bóng bán dẫn hiệu ứng trường) hoạt động ở chế độ xung: công tắc điều khiển mở và đóng luân phiên, cung cấp điện áp cung cấp xung cho phần tử tích lũy năng lượng. Do đó, các xung dòng điện được cấp qua cuộn cảm (hoặc qua biến áp, tùy thuộc vào cấu trúc liên kết của bộ điều chỉnh chuyển mạch cụ thể), thường hoạt động như một phần tử tích lũy, chuyển đổi và giải phóng năng lượng trong mạch tải.

Các xung có các tham số thời gian nhất định: chúng theo sau với một tần số nhất định và có một khoảng thời gian nhất định. Các tham số này phụ thuộc vào kích thước của tải hiện được cung cấp bởi bộ ổn định, vì dòng điện trung bình trong cuộn cảm sẽ sạc cho tụ điện đầu ra và thực sự cấp nguồn cho tải được kết nối với nó.

Trong cấu trúc của bộ ổn định xung, có thể phân biệt ba đơn vị chức năng chính: công tắc, thiết bị lưu trữ năng lượng và mạch điều khiển.Hai nút đầu tiên tạo thành một phần nguồn, cùng với phần thứ ba, tạo thành một mạch chuyển đổi điện áp hoàn chỉnh. Đôi khi công tắc có thể được thực hiện trong cùng một vỏ với mạch điều khiển.

Như vậy công việc của bộ biến đổi xung đã được thực hiện do việc đóng và mở chìa khóa điện tử… Khi đóng công tắc, thiết bị lưu trữ năng lượng (cuộn cảm) được kết nối với nguồn điện và lưu trữ năng lượng, và khi nó mở, thiết bị lưu trữ bị ngắt khỏi nguồn và kết nối ngay với mạch tải, sau đó năng lượng được đưa đến tụ lọc và đến tải.

Kết quả là, một giá trị trung bình nhất định của điện áp tác động lên tải, giá trị này phụ thuộc vào thời lượng và tần suất lặp lại của các xung điều khiển. Dòng điện phụ thuộc vào tải, giá trị của nó không được vượt quá giới hạn cho phép đối với bộ chuyển đổi này.

PWM và PWM

Nguyên tắc ổn định điện áp đầu ra của bộ biến đổi xung dựa trên sự so sánh liên tục điện áp đầu ra với điện áp tham chiếu và tùy thuộc vào sự khác biệt của các điện áp này, mạch điều khiển sẽ tự động khôi phục tỷ lệ giữa thời lượng mở và trạng thái đóng của công tắc (nó thay đổi độ rộng của các xung điều khiển với điều biến độ rộng xung — PWM) hoặc thay đổi tốc độ lặp lại của các xung này, giữ cho thời lượng của chúng không đổi (bằng phương pháp điều chế tần số xung - PFM). Điện áp đầu ra thường được đo bằng một bộ chia điện trở.

Giả sử rằng điện áp đầu ra dưới tải tại một số điểm giảm xuống, trở nên nhỏ hơn danh nghĩa.Trong trường hợp này, bộ điều khiển PWM sẽ tự động tăng độ rộng xung, nghĩa là các quá trình lưu trữ năng lượng trong cuộn cảm sẽ dài hơn và theo đó, nhiều năng lượng hơn sẽ được truyền đến tải. Kết quả là, điện áp đầu ra sẽ trở lại danh nghĩa.

Nếu bộ ổn định hoạt động theo nguyên tắc PFM, thì khi điện áp đầu ra dưới tải giảm, tốc độ lặp lại xung sẽ tăng lên. Do đó, nhiều phần năng lượng hơn sẽ được truyền đến tải và điện áp sẽ bằng với định mức yêu cầu. Ở đây, có thể nói rằng tỷ lệ giữa thời lượng của trạng thái đóng của công tắc với tổng thời lượng của trạng thái đóng và mở của nó là cái gọi là chu kỳ nhiệm vụ DC.

Nói chung, bộ chuyển đổi xung có sẵn có và không có cách ly điện.Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các mạch cơ bản không có cách ly điện: bộ chuyển đổi tăng, giảm và đảo ngược. Trong các công thức, Vin là điện áp đầu vào, Vout là điện áp đầu ra và DC là chu kỳ nhiệm vụ.

Bộ chuyển đổi buck không cách điện-bộ chuyển đổi buck hoặc bộ chuyển đổi bước xuống

Phím T đóng. Khi công tắc đóng, diode D bị khóa, dòng điện chạy qua van tiết lưu L và trên tải R bắt đầu tăng. Chìa khóa mở ra. Khi mở công tắc, dòng điện qua cuộn cảm và qua tải tuy giảm nhưng vẫn tiếp tục chảy, vì dòng điện không thể biến mất ngay lập tức, chỉ là lúc này mạch được đóng không phải qua công tắc mà qua điốt đã mở.

Công tắc đóng lại.Nếu trong thời gian mở công tắc, dòng điện qua cuộn cảm không có thời gian giảm xuống 0, thì bây giờ nó lại tăng lên. dòng điện xung (nếu không có tụ điện). Tụ điện làm phẳng các gợn sóng để dòng tải gần như không đổi.

Điện áp đầu ra trong bộ chuyển đổi loại này luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào, ở đây thực tế được phân chia giữa cuộn cảm và tải. Giá trị lý thuyết của nó (đối với một bộ chuyển đổi lý tưởng—không kể đến công tắc và tổn thất đi-ốt) có thể được tìm thấy bằng công thức sau:

Bộ chuyển đổi tăng cường không có cách ly điện - bộ chuyển đổi tăng cường

Công tắc T đóng. Khi đóng công tắc, điốt D đóng, dòng điện qua cuộn cảm L bắt đầu tăng. Chìa khóa mở ra. Dòng điện tiếp tục chạy qua cuộn cảm, nhưng bây giờ thông qua một diode mở và điện áp trên cuộn cảm được thêm vào điện áp nguồn. Điện áp không đổi trên tải R được duy trì bởi tụ điện C.

Công tắc đóng lại, dòng cuộn cảm tăng trở lại. Điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi loại này luôn cao hơn điện áp đầu vào vì điện áp trên cuộn cảm được thêm vào điện áp nguồn. Giá trị lý thuyết của điện áp đầu ra (đối với bộ chuyển đổi lý tưởng) có thể được tìm thấy bằng công thức:

Bộ chuyển đổi đảo ngược không có bộ chuyển đổi cách ly điện-buck-boost-converter

Công tắc T đóng. Cuộn cảm L dự trữ năng lượng, diode D đóng. Công tắc đang mở—cuộn cảm cấp điện cho tụ C và tải R. Điện áp đầu ra ở đây có cực tính âm.Giá trị của nó có thể được tìm thấy (đối với trường hợp lý tưởng) theo công thức:

Không giống như bộ ổn định tuyến tính, bộ ổn định chuyển mạch có hiệu suất cao hơn do các phần tử hoạt động ít bị đốt nóng hơn và do đó yêu cầu diện tích bộ tản nhiệt nhỏ hơn. Nhược điểm điển hình của bộ ổn định chuyển mạch là sự hiện diện của nhiễu xung trong mạch đầu ra và đầu vào, cũng như thời gian chuyển tiếp dài hơn.