Regulatoarele de tensiune liniare sunt, în general, mult mai eficiente și mai ușor de utilizat decât circuitele regulator de tensiune echivalente, fabricate din componente discrete, cum ar fi o diodă zeneră și un rezistor sau tranzistoare și chiar A.O.

Cele mai populare tipuri de regulatoare de tensiune de ieșire liniară și fixă ​​sunt de departe seria de tensiuni de ieșire pozitivă 78... și seria de tensiuni de ieșire negativă 79.... Aceste două tipuri de regulatoare de tensiune complementare produc o ieșire de tensiune precisă și stabilă variind de la aproximativ 5 volți până la aproximativ 24 volți pentru utilizarea în multe circuite electronice.

Există o gamă largă de regulatoare de tensiune fixă ​​cu trei terminale disponibile, fiecare cu propriile regulatoare de tensiune încorporate și circuite de limitare a curentului. Acest lucru ne permite să creăm o gamă largă de șine și ieșiri de alimentare diferite, fie simple, fie duale, potrivite pentru majoritatea circuitelor și aplicațiilor electronice. Există chiar regulatoare liniare cu tensiune variabilă disponibile, asigurând și o tensiune de ieșire care este variabilă continuu de la puțin peste zero până la câțiva volți sub tensiunea de ieșire maximă.

Majoritatea surselor de alimentare DC cuprind un transformator de rețea coborâtor, de dimensiuni mari și greu, redresare cu diode, fie monoalternanță fie bialternanță, un circuit de filtrare pentru eliminarea oricărui conținut de riplu de la dc redresat, producând o tensiune DC netezită adecvat, și o formă de regulator de tensiune sau circuit stabilizator, fie liniar, fie în comutație pentru a asigura reglarea corectă a tensiunii de ieșire a surselor de alimentare în condiții de sarcină variabilă. Atunci, o sursă tipică DC ar arăta astfel:

Sursă de alimentare DC tipică

Aceste scheme tipice de alimentare conțin un transformator de rețea mare (care asigură, de asemenea, izolare între intrare și ieșire) și un circuit regulator serie disipativ. Circuitul de reglare ar putea consta dintr-o singură diodă zener sau dintr-un regulator serie liniar cu trei terminale pentru a produce tensiunea de ieșire necesară. Avantajul unui regulator liniar este că circuitul de alimentare necesită numai un condensator de intrare, un condensator de ieșire și niște rezistoare de reacție pentru a stabili tensiunea de ieșire.

Regulatoarele de tensiune liniare produc o ieșire DC reglată prin plasarea unui tranzistor în conducție continuu, în serie între intrare și ieșire, care operează în regiunea sa liniară (de aici numele) a caracteristicilor sale curent-tensiune (i-v). Astfel, tranzistorul acționează mai mult ca o rezistență variabilă care se adaptează continuu la orice valoare necesară pentru a menține tensiunea de ieșire corectă. Considerați acest circuit simplu cu tranzistor serie de mai jos:

Circuitul de reglare cu tranzistor serie

Aici acest circuit simplu regulator repetor pe emitor, constă dintr-un singur tranzistor NPN și o tensiune de polarizare DC pentru a seta tensiunea de ieșire necesară. Deoarece un circuit repetor pe emitor are câștig unitar de tensiune, aplicând o tensiune de polarizare adecvată la Baza tranzistorului, o ieșire stabilizată este obținută de la Emitor.

Deoarece un tranzistor are câștig de curent, curentul de sarcină la ieșire va fi mult mai mare decât curentul de Bază și încă mai ridicat dacă se utilizează un aranjament de tranzistor Darlington.

De asemenea, cu condiția ca tensiunea de intrare să fie suficient de mare pentru a obține tensiunea de ieșire dorită, tensiunea de ieșire este controlată de tensiunea de Bază a tranzistorului și în acest exemplu este dată ca 5,7 volți pentru a produce o ieșire de 5 volți pe sarcină deoarece aproximativ 0,7 volți cade pe tranzistor între terminalele de Bază și Emitor. Atunci, în funcție de valoarea tensiunii de Bază, poate fi obținută orice valoare a tensiunii de ieșire pe Emitor.

În timp ce acest circuit regulator serie simplu va funcționa, dezavantajul este că tranzistorul serie este continuu polarizat în regiunea sa liniară disipând putere sub formă de căldură ca rezultat al produsului V*I, deoarece tot curentul de sarcină trebuie să treacă prin tranzistorul serie, rezultând o eficiență scăzută, o putere risipită și o generare continuă de căldură.

De asemenea, unul dintre dezavantajele pe care regulatoarele serie de tensiune le are este că ieșirea nominală de curent continuu maxim este limitată la doar câțiva amperi, astfel încât acestea sunt în general utilizate în aplicații în care sunt necesare ieșiri de putere scăzute. Atunci când sunt necesare tensiuni de ieșire mai mari sau surse de curent, practica obișnuită constă în utilizarea unui regulator în comutație, denumit obișnuit ca sursă de alimentare în comutație, pentru a converti tensiunea de alimentare în orice ieșire de putere mai mare.

Sursele de alimentare în comutație, sau SMPS (Switch Mode Power Supplies), au înlocuit în majoritatea cazurilor sursele de alimentare tradiționale ac-to-dc ca o modalitate de a reduce consumul de energie, de a reduce disiparea căldurii, precum și mărimea și greutatea. SMPS pot fi găsite acum în majoritatea PC-urilor, amplificatoare de putere, televizoare, comenzilor de motoare DC etc. și aproape oriunde este nevoie de o sursă de alimentare foarte eficientă, deoarece SMPS devin tot mai mult o tehnologie mult mai matură.

Prin definiție, o sursă de alimentare în comutație (SMPS) este un tip de sursă de alimentare care utilizează tehnici de comutare semiconductoare, mai degrabă decât metode liniare standard pentru a furniza tensiunea de ieșire necesară. Convertorul principal de comutare constă dintr-un etaj de comutare a puterii și un circuit de comandă. Etajul de comutare a puterii efectuează conversia puterii de la tensiunea de intrare a circuitului VIN la tensiunea de ieșire a acestuia VOUT,care include filtrarea ieșirii.

Avantajul major al SMPS este eficiența superioară față de regulatoarele liniare standard și acest lucru se realizează prin comutarea internă a unui tranzistor (sau MOSFET de putere) între starea "ON" (saturată) și starea "OFF" (cut-off), ambele producând o disipare a puterii mai redusă. Aceasta înseamnă că atunci când tranzistorul de comutare este complet "ON" și conducând curentul, căderea de tensiune pe el este la valoarea sa minimă, iar atunci când tranzistorul este complet "OFF" nu există curent de curgere prin el. Deci, tranzistorul se comportă ca un comutator ideal.

Drept urmare, spre deosebire de regulatoarele liniare care oferă doar o reglare a tensiunii în jos, o SMPS poate oferi coborârea, urcarea și negația tensiunii de intrare utilizând unul sau mai multe dintre cele trei circuite de comutație de bază: Buck, Boost și Buck-Boost. Aceasta se referă la modul în care comutatorul tranzistor, inductorul și condensatorul de netezire sunt conectați în circuitul de bază.

Sursă de alimentare în mod de comutație Buck

Regulatorul în comutație Buck este un tip de circuit SMPS care este proiectat pentru a reduce eficient tensiunea DC de la o tensiune mai mare la un nivel inferior, care este scăzut sau „Bucks“ din tensiunea de alimentare, reducând astfel tensiunea disponibilă la ieșire fără schimbarea polarității. Cu alte cuvinte, regulatorul de comutație Buck este un circuit de reglare coborâtor, de exemplu, un convertor Buck poate converti, de exemplu, de la +12 volți la +5 volți.

Regulatorul de comutație Buck este un convertor DC-to-DC și unul dintre cele mai simple și cele mai populare tipuri de regulatoare de comutație. Atunci când este utilizat într-o configurație SMPS, regulatorul de comutație Buck utilizează un tranzistor serie sau un MOSFET de putere (ideal un tranzistor bipolar cu poartă izolată, sau IGBT) ca dispozitiv principal de comutare, după cum se arată mai jos.

Putem vedea că configurația circuitului de bază pentru un convertor Buck este un comutator tranzistor serie TR1 cu un circuit de comandă asociat, care ține tensiunea de ieșire cât mai aproape de nivelul dorit posibil, o diodă D1, un inductor L1 și un condensator de netezire C1. Convertorul Buck are două moduri de funcționare, în funcție de cazul în care tranzistorul de comutare TR1 este comutat "ON" sau "OFF".

Când tranzistorul este polarizat „ON“ (comutator închis), dioda D1 devine polarizată invers și tensiunea de intrare VIN determină un curent să curgă prin inductor la sarcina conectată la ieșire, încărcând condensatorul C1. Deoarece un curent de încărcare circulă prin bobina inductorului, se produce o emf inversă care se opune trecerii curentului, conform legii lui Faraday, până când se ajunge la o stare de echilibru creând un câmp magnetic în jurul inductorului L1. Această situație continuă pe termen nelimitat, atâta timp cât TR1 este închis.

Atunci când tranzistorul TR1 este comutat OFF (comutator deschis) de circuitul de comandă, tensiunea de intrare este instantaneu eliminată de la circuitul emitor, determinând căderea câmpului magnetic în jurul inductorului, inducând o tensiune inversă pe inductor. Această tensiune inversă determină ca dioda să devină polarizată direct, astfel că energia stocată în câmpul magnetic inductor forțează curentul să continue să curgă prin sarcină în aceeași direcție și să revină înapoi prin diodă.

Deci, inductorul L1 întoarce energia stocată înapoi la sarcină, acționând ca o sursă și furnizând curent până când toată energia inductor este returnată sau până când comutatorul tranzistor se închide din nou, oricare survine mai întâi. În același timp, condensatorul, de asemenea, se descarcă furnizând curent sarcinii. Combinația dintre inductor și condensator formează un filtru LC netezind orice riplu creat de acțiunea de comutare a tranzistorului.

Prin urmare, atunci când comutatorul tranzistor este închis, curentul este furnizat de la sursa de alimentare, iar când comutatorul tranzistor este deschis, curentul este livrat de inductor. Rețineți că circulația curentului prin inductor este întotdeauna în aceeași direcție, fie direct de la alimentare, fie prin diodă, dar evident la momente diferite în cadrul ciclului de comutare.

Deoarece comutatorul tranzistor este închis și deschis în mod continuu, valoarea medie a tensiunii de ieșire va fi, prin urmare, legată de ciclul de sarcină D, care este definit ca timpul de conducție al comutatorului tranzistor în timpul unui singur ciclu complet de comutare. Dacă VIN este tensiunea de alimentare, iar ON și OFF, timpii pentru comutatorul tranzistor, sunt definite ca: tON și tOFF, atunci tensiunea de ieșire VOUT este dată de:

Ciclu de sarcină al convertorului Buck

Ciclul de sarcină al convertoarelor Buck poate fi, de asemenea, definit ca:

Deci, cu cât este mai mare ciclul de sarcină, cu atât este mai mare tensiunea medie de ieșire DC din SMPS. Putem observa că tensiunea de ieșire va fi întotdeauna mai mică decât tensiunea de intrare, deoarece ciclul de sarcină D nu poate atinge niciodată unu (unitate) rezultând un regulator de tensiune coborâtor. Reglarea tensiunii este obținută prin modificarea ciclului de sarcină și cu viteze mari de comutare, până la 200 kHz, pot fi utilizate componente mai mici, reducând astfel dimensiunea și greutatea SMPS.

Un alt avantaj al convertorului Buck este că aranjamentul inductor-condensator (LC) asigură o filtrare foarte bună a curentului inductor. În mod ideal convertorul Buck ar trebui să opereze într-un mod de comutație continuă, astfel încât curentul inductor să nu scadă niciodată la zero. Cu componente ideale, adică sunt zero căderea de tensiune și pierderile de comutare în starea "ON", convertorul ideal Buck ar putea avea eficiență de până la 100%.

La fel ca regulatorul de comutație Buck coborâtor, pentru proiectarea de bază a unei SMPS, există o altă operație fundamentală a regulatorului de comutație care acționează ca un regulator de tensiune crescător, denumit Convertor Boost.

Sursă de alimentare în mod de comutație Boost

Regulatorul de comutație Boost este un alt tip de circuit SMPS. Are aceleași tipuri de componente ca și convertorul Buck dar de data aceasta în poziții diferite. Convertizorul Boost este proiectat să crească o tensiune DC de la o tensiune mai mică la una mai mare, adică se adaugă sau "mărește" tensiunea de alimentare, mărind astfel tensiunea disponibilă la bornele de ieșire fără a schimba polaritatea. Cu alte cuvinte, regulatorul de comutație Boost este un circuit de reglare crescător, de exemplu, un convertor Boost poate converti, de exemplu, +5 volți la +12 volți.

Am văzut anterior că regulatorul de comutație Buck utilizează un tranzistor de comutație serie în schema sa de bază. Diferența față de schema regulatorului de comutație Boost este aceea că utilizează un tranzistor de comutație conectat paralel pentru a controla tensiunea de ieșire din SMPS. Deoarece comutatorul tranzistor este conectat efectiv în paralel cu ieșirea, energia electrică trece prin inductor la sarcină numai atunci când tranzistorul este polarizat "OFF" (comutator deschis) așa cum se arată.

În circuitul Convertor Boost, atunci când comutatorul tranzistor este complet ON, energia electrică de la sursă VIN trece prin inductor și comutatorul tranzistor înapoi la sursă. Ca urmare, nimic nu trece la ieșire, deoarece comutatorul tranzistor saturat creează în mod eficient un scurtcircuit pe ieșire. Aceasta crește curentul care trece prin inductor, deoarece are o cale interioară mai scurtă pentru a călători înapoi la sursa de alimentare. Între timp, dioda D1 devine polarizată invers, deoarece anodul său este conectat la masă prin comutatorul tranzistor cu nivelul de tensiune de pe ieșire rămânând destul de constant, deoarece condensatorul începe să se descarce prin sarcină.

Când tranzistorul este comutat OFF complet, sursa de intrare este acum conectată la ieșire prin inductorul și dioda conectate în serie. Pe măsură ce câmpul din bobină scade, energia indusă stocată în inductor este împinsă la ieșirea de VIN, prin dioda polarizată acum direct. Rezultatul la toate acestea este că tensiunea indusă pe inductorul L1 se inversează și se adaugă la tensiunea sursei de intrare crescând tensiunea de ieșire totală, deoarece devine acum VIN + VL.

Curentul de la condensatorul de netezire C1, care a fost folosit pentru alimentarea sarcinii atunci când comutatorul tranzistor a fost închis, este acum returnat la condensator de sursa de intrare prin diodă. Deci, curentul furnizat condensatorului este curentul diodei, care va fi întotdeauna ON sau OFF, deoarece dioda este comutată continuu între starea directă și inversă prin acțiunile de comutare ale tranzistorului. Atunci, condensatorul de netezire trebuie să fie suficient de mare pentru a produce o ieșire netedă constantă.

Deoarece tensiunea indusă pe inductorul L1 este negativă, se adaugă la tensiunea sursei VIN forțând curentul inductor în sarcină. Tensiunea de ieșire la starea de echilibru a convertoarelor Boost este dată de:

Ca și în cazul convertorului Buck, tensiunea de ieșire de la convertorul Boost depinde de tensiunea de intrare și de ciclul de sarcină. Prin urmare, prin controlul ciclului de sarcină, se realizează reglarea ieșirii. Această ecuație este independentă de valoarea inductorului, curentul de sarcină și condensatorul de ieșire.

Am văzut mai sus faptul că operarea de bază a unui circuit SMPS neizolat poate utiliza fie o configurație de convertor Buck, fie de convertor Boost, în funcție de necesitatea unei tensiuni de ieșire step-down (buck) sau step-up (boost). În timp ce convertoarele Buck pot fi cele mai comune configurații de comutare a SMPS, convertoarele Boost sunt utilizate în mod obișnuit în aplicațiile cu circuite capacitive, cum ar fi încărcătoarele de baterii, blitz-uri, flash-uri strobe etc, deoarece condensatorul furnizează tot curentul de sarcină în timp ce comutatorul este închis.

Dar putem combina, de asemenea, aceste două topologii de bază de comutare într-un singur circuit ne-izolator de reglare a comutării numit, fără îndoială, un convertor Buck-Boost.

Regulator de comutație Buck-Boost

Regulatorul de comutație Buck-Boost este o combinație de convertor Buck și convertor Boost care produce o tensiune de ieșire (negativă) inversată, care poate fi mai mare sau mai mică decât tensiunea de intrare, în funcție de ciclul de sarcină. Convertorul Buck-Boost este o variantă a circuitului convertor Boost în care convertorul inversor livrează numai energia stocată de inductorul L1 în sarcină. Circuitul SMPS Buck-Boost de bază este dat mai jos.

Când comutatorul tranzistor TR1 este comutat ON complet (închis), tensiunea pe inductor este egală cu tensiunea de alimentare, astfel încât inductorul stochează energia de la sursa de alimentare. Nu este furnizat curent la sarcina conectată la ieșire, deoarece dioda D1 este polarizată invers. Când comutatorul tranzistor este complet OFF (deschis), dioda devine polarizată direct și energia stocată anterior în inductor este transferată la sarcină.

Cu alte cuvinte, când comutatorul este "ON", energia este livrată în inductor de alimentarea DC (prin comutator) și nimic la ieșire și când comutatorul este "OFF", tensiunea pe inductor se inversează deoarece inductorul devine acum o sursă de energie, astfel încât energia stocată anterior în inductor este comutată la ieșire (prin diodă), și nimic nu vine direct de la sursa de intrare DC. Deci, tensiunea pe sarcină, atunci când tranzistorul de comutare este "OFF", este egală cu tensiunea inductorului.

Rezultatul este că mărimea tensiunii de ieșire inversată poate fi mai mare sau mai mică (sau egală) cu magnitudinea tensiunii de intrare bazată pe ciclul de funcționare. De exemplu, un convertor Buck-Boost pozitiv-negativ poate converti 5 volți la 12 volți (step-up) sau 12 volți la 5 volți (step-down).

Tensiunea de ieșire, la starea de echilibru, a regulatorului Buck-Boost VOUT este dată de:

Atunci, regulatorul Buck-Boost obține numele său de la producerea unei tensiuni de ieșire care poate fi mai mare (ca un etaj de putere Boost) sau mai mică (ca un etaj de putere Buck) în magnitudine decât tensiunea de intrare. Dar, tensiunea de ieșire este opusă în polaritate față de tensiunea de intrare.

Rezumat Sursă de alimentare în comutație

Sursele de alimentare în comutație moderne, sau SMPS, utilizează comutatoare solid-state pentru a transforma o tensiune de intrare DC neregulată într-o tensiune de ieșire DC regulată și netedă la diferite nivele de tensiune. Sursa de intrare poate fi o tensiune DC reală de la o baterie sau un panou solar sau o tensiune DC redresată de la o sursă AC utilizând o punte de diode împreună cu o filtrare capacitivă suplimentară.

În multe aplicații de comandă a puterii, tranzistorul de putere, MOSFET sau IGFET, este operat în modul său de comutare dacă este comutat în mod repetat "ON" și "OFF" la viteză mare. Principalul avantaj al acestui lucru este că eficiența de putere a regulatorului poate fi destul de ridicată, deoarece tranzistorul este fie complet ON și conductiv (saturat) sau complet OFF (cut-off).

Există mai multe tipuri de convertoare DC-to-DC (spre deosebire de un convertor DC-to-AC care este un invertor) disponibile, cu cele trei topologii principale de surse de alimentare în comutație privite aici fiind regulatoare de comutație Buck, Boost și Buck-Boost. Toate cele trei topologii sunt neizolate, adică tensiunile lor de intrare și de ieșire împart o linie comună de masă.

Fiecare schemă de regulator de comutație are proprietățile sale unice în ceea ce privește ciclurile de sarcină la starea de echilibru, relația dintre curentul de intrare și ieșire și riplu de ieșire produs de acțiunea comutatorului solid-state. O altă proprietate importantă a acestor topologii SMPS este răspunsul în frecvență al acțiunii de comutare la tensiunea de ieșire.

Reglarea tensiunii de ieșire se realizează prin controlul procentual al timpului în care tranzistorul de comutare se află în starea "ON", în comparație cu timpul total ON/OFF. Acest raport este numit ciclul de sarcină și prin modificarea lui (D) poate fi controlată magnitudinea tensiunii de ieșire VOUT.

Utilizarea unui singur inductor și a unei diode, precum și a comutatoarelor solid-state de comutare rapidă, capabile să funcționeze la frecvențe de comutare în gama kiloherți, în schema SMPS, permite diminuarea dimensiunii și greutății surselor de alimentare. Acest lucru se datorează faptului că nu ar exista transformatoare de rețea mari și grele de tensiune coborâtoare (step-down) sau ridicătoare (step-up) în schema lor. Dar, dacă este necesară izolarea între bornele de intrare și ieșire, înainte de convertor trebuie inclus un transformator.

Cele două cele mai populare configurații ne-izolate de comutare sunt convertoarele Buck (scădere) și Boost (aditive).

Convertorul Buck este un tip de SMPS care este proiectat pentru a converti energia electrică de la o tensiune la una mai mică. Convertorul Buck operează cu un tranzistor de comutare conectat în serie. Deoarece ciclul de sarcină D < 1, tensiunea de ieșire este întotdeauna mai mică decât tensiunea de intrare VIN.

Convertorul Boost este un tip de SMPS care este proiectată pentru a converti energia electrică de la o tensiune la una mai mare. Convertorul Boost operează cu un tranzistor de comutare conectat paralel care are ca rezultat un traseu direct de curent între VIN și VOUT prin inductorul L1 și dioda D1. Aceasta înseamnă că nu există protecție împotriva scurtcircuitului la ieșire.

Prin modificarea ciclului de sarcină (D) al unui convertor Boost, tensiunea de ieșire poate fi controlată și cu D < 1, ieșirea DC de la convertorul Boost este mai mare decât tensiunea de intrare VIN ca urmare a tensiunii de autoinducție a inductorului.

De asemenea, condensatoarele de netezire a ieșirii în SMPS se presupune a fi foarte mari, ceea ce are ca rezultat o tensiune de ieșire constantă din SMPS pe durata acțiunii de comutare a tranzistorilor.

REFERINȚE

Convertorul Buck